Ensayo de Compresión No Confinada

Ensayo de Compresión no confinada

El ensayo de compresión no confinada, también conocido con el nombre de ensayo de compresión simple o ensayo de compresión uniaxial, es muy importante en Mecánica de Suelos, ya que permite obtener un valor de carga último del suelo, el cual, como se verá más adelante se relaciona con la resistencia al corte del suelo y entrega un valor de carga que puede utilizarse en proyecto que no requieren de un valor m ás preciso, ya que entrega un re sultado conservador. Debido a la compleja y variable naturaleza de los suelos, en especial en lo referido a la resistencia al esfuerzo cortante, existen muchos métodos de ensayo para evaluar sus características. Este ensayo es aplicable solo a materiales cohesivos que no expulsan agua durante la etapa del ensayo y que mantienen su resistencia intrínseca después de remover las presiones de confinamiento, como las arcillas o los suelos cementados. Los suelos secos friables, los materiales fisurados, laminados o barbados, los limos, las turbas y las arenas no pueden ser analizados por este método para obtener valores significativos de la resistencia a la compre sión no confina. Cuando se introdujo por primera vez el método de ensayar muestras de suelo cohesivo recuperadas con tubos de campo en compresión simple, fue aceptado ampliamente como un medio para determinar rápidamente la resistencia al corte de un suelo. Utilizando la construcción del círculo de Mohr, es evidente que la resistencia al corte o cohesión (c ( c) de una muestra de suelo puede ser calculada aproximadamente como:



 

 

  

donde qu se utiliza siempre como el símbolo para representar la resistencia a la compresión no confinada del suelo. Este cálculo se basa en el hecho que el esfuerzo principal menor σ 3 es cero (atmosférico) y que el ángulo de fricción interna ɸ del suelo se supone cero. Cuando se tuvo más conocimiento sobre el comportamiento del suelo, se hizo evidente que el ensayo de compresión no confinada generalmente no proporciona un valor bastante confiable de la resistencia al corte del suelo por al menos las siguiente tres razones: -

El efecto de la restricción lateral provista por la masa de suelo sobre la muestra se pierde cuando la muestra es removida del terreno. Existe sin embargo la opción de que la humedad del suelo le provee un efecto de tensión superficial (o confinamiento) de forma que la muestra está algo “confinada”. Este efecto debería también ser más pronunciado pronunciado si

la muestra está saturada o cercana a ella. Este efecto dependerá también de la humedad relativa del área del experimento, lo cual hace su evaluación cuantitativa más difícil. -

La condición interna del suelo (grado de saturación, presión del agua de los poros bajo esfuerzo de deformación, y efecto de alteración del grado de saturación) no pueden controlarse.

-

La fricción en los extremos de la muestra producida por las placas de carga origina una restricción lateral sobre los extremos que altera los esfuerzos internos en una cantidad desconocida.

Los errores producidos por los dos primeros factores citados arriba pueden eliminarse o por lo menos reducirse utilizando los ensayos de compresión confinada (triaxiales). El tercer aspecto ha sido objetivo de considerable investigación, y actualmente se piensa que este factor no es tan importante como podría a primera vista suponerse. Es posible fabricar platinas especiales de apoyo para reducir los efectos de fr icción si se desean resultados experimentales muy refinados. El ensayo de compresión no confinada se utiliza ampliamente porque constituye un método rápido y económico de obtener aproximadamente la resistencia al corte de un suelo cohesivo. De paso, debería descartarse que mientras los resultados del ensayo de compresión no confinada pueden tener poca confiabilidad, existe muy pocos métodos de ensayo que permitan resultados mucho mejores, a menos que se refinen considerablemente los procedimientos u esfuerzos del ensayo (de los técnicos de laboratorio). Los resultados de resistencia al corte a partir de ensayos de compresión no confinada son razonablemente confiables si se interpretan adecuadamente y se reconoce que el ensayo tiene ciertas deficiencias. Por ejemplo, el uso de una curva de esfuerzo  – deformación unitaria basada en el ensayo de compresión no confinada para obtener un módulo de elasticidad (más correctamente un módulo de deformación unitaria, ya que el suelo no es un material elástico para las deformaciones unitarias asociadas usualmente con este tipo de ensayo) dará, en general, un valor muy poco confiable. El ensayo de compresión no confinada puede hacerse con control de deformación unitaria o con control de esfuerzo. El ensayo de deformación unitaria controlada es casi universalmente utilizado, pues es una simple cuestión de acoplar una relación de engranaje adecuada a un motor y controlar la velocidad de avance de la plataforma de carga. Se ha encontrado que el ensayo es bastante sensible a la tasa de deformación unitaria, pero una tasa de deformación unitaria ente 0.5 y 2%/min (es decir, un espécimen de 50 mm a una tasa de deformación unitaria de 1% debería

comprimirse a una velocidad de 0.50 mm/min), parece brindar resultados satisfactorios. Como las muestras del ensayo de compresión no confinada se exponen usualmente al aire seco del laboratorio (baja humedad), deberían llevarse a la falla antes de 10 min; de otra forma, el cambio en el contenido de humedad podría afectar la resistencia a la compresión no confinada (aumentarla, usualmente). Un ensayo de esfuerzo controlado requiere cambios en los incrementos de carga y puede causar una respuesta errática en deformaciones unitarias y/o la resistencia última cayendo entre dos incrementos de esfuerzo. Las cargas se aplican a través de un aparato/yunque de carga muerta y la carga real se puede obtener por adición de agua a un recipiente o por almacenamiento de pesas en un soporte colgante. Ambos métodos producen “una carga de impacto” a la muestra, son

difíciles de aplicar y por estas varias razones, los ensayos de esfuerzo controlado se utilizan muy raramente en cualquier tipo de ensayo de suelos. Las muestras de suelos (y obviamente solo suelos ɸ-c, o cohesivos de ɸ=0  aparente pueden ensayarse de esta forma) se prueban hasta que la carga en la muestra comience a decrecer o hasta que por lo menos se haya desarrollado una deformación unitaria del 20% (para una muestra de 76 mm de longitud, un 20% de deformación unitaria implica un acortamiento axial total de 0.2x76 = 15.2 mm). Se efectúan los cálculos de esfuerzo y deformación unitaria axial de forma que se pueda dibujar una curva esfuerzo  – deformación unitaria para obtener el máximo esfuerzo (a menos que ocurra primero el 20% de la deformación unitaria) que se toma como la resistencia a la compresión no confinada qu del suelo. La deformación unitaria ϵ  se calcula de la mecánica de materiales como:

 donde

 



 

ΔL = deformación total de la muestra (axial), mm

Lo =Longitud original de la muestra, en mm El esfuerzo instantáneo σ  del ensayo sobre la muestra se calcula como:



  



 

donde

P = carga sobre la muestra en cualquier instante para el correspondiente valor ΔL, en kN  A’  = área de la sección transversal de la muestra para la carga correspondiente P, 2

en m . En mecánica de suelos es práctica convencional corregir el área sobre la cual actúa la carga P. Esto no se hace cuando se ensayan metales en tensión. Una de las razones para esta corrección de área es la de permitir cierta tolerancia sobre la forma como el suelo es realmente cargado en el terreno. Aplicar esta corrección al área original de la muestra es algo conservativo también pues la resistencia última calculada de esta forma será menor que la que se podría calcular utilizando el área original. El área original Ao se corrige considerando que el volumen total del suelo permanece constante. El volumen total inicial de la muestra es:

   

 

Pero después de algún cambio de Δ L en la longitud de la muestra,

    

 

Igualando las ecuaciones (4.4) y (4.5), cancelando términos y despejando el área corregida A’ , se obtiene:

  

  

 

La relación longitud  – diámetro (L/d ) de las muestras para el ensayo debería ser suficientemente grande para evitar interferencia de planos potenciales de falla de 45° de la Fig. *** y suficientemente corta para no obtener falla de “columna”. La relación L/d   que satisface estos

criterios es: 2 < L/d < 3.

La Fig. *** da detalles esquemáticos de un ensayo de compresión no confinada. En el ensayo se coloca una muestra de longitud adecuada entre dos placas (aparatos para transferir la carga al suelo), con piedras porosas insertadas como se muestra, a discreción del laboratorista. Se aplica una carga axial y a medida que la muestra se deforma crecientemente, se obtienen cargas correspondientes. Para una cantidad considerable de ensayos de terreno se llevan al terreno, aparatos portátiles de compresión, se ensayan las muestras a la falla, y se registran las cargas de “falla” y deformación.

Tipos de Rotura

En un ensayo de compresión no confinada se pueden producir distintos tipos de rotura, los cuales son la rotura frágil y la rotura dúctil. En la primera predominan las grietas paralelas a la dirección de la carga, y la rotura ocurre de un modo brusco y bajo deformaciones muy pequeñas, presentándose después de ella un desmoronamiento de la resistencia. En la segunda la muestra se limita a deformarse, sin que aparezcan zonas de discontinuidad en ella. De forma intermedia, la rotura se produce a través de un plano inclinado, apareciendo un pico en la resistencia y un valor residual. En arcillas blandas aparece la rotura dúctil en el ensayo de compresión no confinada, mientras que en suelos cementados se suele registrar rotura frágil en este tipo de ensayos. Las teorías de rotura frágil fueron iniciadas por Allan Griffith en 1920, al atribuir la reducida resistencia a la tracción de muchos materiales a la presencia de diminutas fisuras en su interior, en cuyos extremos se

produce concentración de tensiones. La rotura se produce debido a la propagación de las microfisuras existentes bajo dicha concentración de tensiones. En una probeta sometida a compresión no confinada también se pueden producir tracciones locales en el contorno de las fisuras, especialmente sobre planos paralelos a la dirección de la compresión. Esto explica la aparición de grietas verticales. En suelos blandos sometidos a presiones no muy altas, la rotura dúctil se presenta bajo la forma de un ensanchamiento sólo por el centro, ya que por los extremos lo impide la fricción entre suelo y las placas de carga. Materiales, Equipos y Herramientas

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Máquina de compresión: La máquina de compresión puede ser una báscula de plataforma equipada con un marco de carga activo con un gato de tornillo, o con un mecanismo de carga hidráulica, o cualquier otro instrumento de compresión con suficiente capacidad de control de carga. En lugar de la báscula de plataforma es común que la carga sea medida con un anillo o una celda de carga fijada al marco (Figura ***). Para suelos cuya resistencia 2

a la compresión no confinada sea menor de 100 kPa (1kg/cm ) el aparato de compresión debe ser capaz de medir los esfuerzos compresivos con una precisión de 1 KPa (0.01 2

kg/cm ); para suelos con una resistencia a la compresión no confinada de 100 kPa 2

(1kg/cm ) o mayor el aparato de compresión debe ser capaz de medir los esfuerzos 2

compresivos con una precisión de 5 kPa (0 .05 kg/cm ). -

Extractor de muestras: Capaz de extraer el núcleo de suelo del tubo de muestreo en la misma dirección en que la muestra entró al tubo, a una velocidad uniforme y con la mínima alteración. Las condiciones en el momento de la extracción de la muestra pueden indicar la dirección del movimiento pero la principal preocupación debe ser mantener en un mínimo su grado de alteración.

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Deformímetro: El indicador de deformaciones debe ser un comparador de carátula graduado a 0.02 mm, y con un rango de medición de por lo menos un 20% de la longitud del espécimen para el ensayo, o algún otro instrumento de medición como un transductor que cumple estos requerimientos.

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Micrómetro: u otro instrumento adecuado para medir las dimensiones físicas del espécimen dentro del 0.1% de la dimensión medida. (Nota: Los piederrey o calibradores de Vernier no son recomendados para especímenes blandos que se deformarán a medida que los calibradores se colocan sobre el espécimen)

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Cronometro: Un instrumento de medición de tiempo, que indique el tiempo transcurrido con una precisión de 1 s para controlar la velocidad de aplicación de deformación.

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Balanza: La balanza usada para pesar los especímenes, debe determinar su masa con una precisión de 0.1% de su masa tot al.

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Equipo para determinación del contenido de humedad, como especifica en la Norma ASTM D2216.

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Equipo misceláneo: Que incluye las herramientas para recortar y labrar la muestra, instrumentos para remoldear la muestra, y las hojas de datos.

Metodología del ensayo de compresión no confinada Obtención y preparación de muestras.

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Se extrae muestra del suelo lo más inalterada posible de un tamaño suficiente para poder transportarla al laboratorio sin que ésta se desintegre y no se produzcan grietas internas que pueden alterar los resultados del ensayo.

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Se deben manejar las muestras cuidadosamente para prevenir cualquier alteración, cambios en la sección transversal y evitándose cualquier cambio en el contenido de agua del suelo.

Preparación de la Probeta

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Los especímenes deben tener una sección transversal circular con sus extremos perpendiculares al eje longitudinal de la muestra. Además deben tener un diámetro mínimo de 30 mm y la partícula mayor contenida dentro del espécimen de ensayo debe ser menor que 1/10 del diámetro del espécimen. La relación de altura  –  diámetro (L/d ) debe encontrarse entre 2 y 3.

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Se talla la muestra de forma muy cuidadosa, en los posible tratando que el material no se agriete en el tallado, realizado con un cuchillo.

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El tamaño de la probeta se mide con un molde, de esta maner a se llega a una probeta bien tallada cumpliendo con las condiciones anteriormente mencionada, y se determina la altura promedio y el diámetro de la muestra para el ensayo utilizando los instrumentos especificados anteriormente.

Procedimiento

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Colocar las muestras en recipientes húmedos o dejarlas en el cuarto de humedad para prevenir su desecamiento , mientras calcular la deformación correspondiente al 20% de deformación unitaria para las muestras, de tal forma que se pueda saber cuándo terminar el experimento si la muestra recibe carga sin mostrar un pico antes que dicha deformación suceda.

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Calcular la densidad de las muestras y pesar dos latas de contenido de humedad de forma que se pueda determinar el contenido de humedad de la muestra después de terminar el ensayo.

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Alinear cuidadosamente la muestra en la máquina de compresión. Si los extremos no son perfectamente perpendiculares al eje del espécimen, la parte inicial de la curva de esfuerzo  –  deformación unitaria será plana (hasta que el área total de la muestra contribuya a la resistencia al esfuerzo, las deformaciones unitarias serán demasiado grandes para el esfuerzo calculado).

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Establecer en cero el equipo de carga (bien sea un deformímetro de caratula para registrar la deformación de un anillo de carga) y establecer el cero en el deformímetro. En este momento es necesario aplicar una carga muy pequeña sobre la muestra (del orden de una unidad del deformímetro de carga, o quizá 0.5 kg para una celda de carga).

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Prender la máquina y tomar lecturas en los deformímetros de carga y deformación como sigue (para un deformímetro de 0.01 mm/división): 10, 25, 50, 75,100, y de aquí en adelante cada 50 a 100 divisiones del deformímetro hasta que suceda uno de los siguientes:

-

o

La carga sobre la muestra decrece significativamente

o

La carga se mantiene constante por cuatro lecturas

o

La deformación sobrepasa significativamente el 20% de la deformación unitaria.

Realizar cálculos correspondientes a las ecuaciones presentadas anteriormente para lograr obtener la deformación unitaria, el área corregida, y el esfuerzo unitario, para suficientes lecturas (unos 8 a 10 puntos bien espaciados) para definir la curva esfuerzo  – deformación unitaria adecuadamente. Colocar los resultados en hojas de cálculo y realizar los gráficos necesarios para obtener la información que se requiere.