UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURÍMAC ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
CURSO
:
PUENTES Y OBRAS DE ARTE
TEMA
:
ENSAYO DE COMPRESIÓN UNIAXIAL
DOCENTE
:
ING.MAURO SAMUEL ALTAMIRANO CAMACHO
ESTUDIANTE
:
PAVEL AMERICO HUAMAN PANCORBO
CODIGO
:
112399
SEMESTRE
:
2017-II Abancay, 30 De Octubre Octubre Del 2017 PERU Página 1
UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURÍMAC
INDICE
1.
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 3
2.
OBJETIVOS .................................................................................................................... 4
3.
MARCO TEORICO ........................................................................................................... 4
4.
5.
3.1.
El ensayo de compresión simple ................................................................................. 4
3.2.
Tipos de rotura ............................................................................................................ 5
3.3.
MEMORIA DE CÁLCULO ....................................................................................... 6
MATERIALES .................................................................................................................... 7 4.1.
Aparato de compresión: .............................................................................................. 7
4.2.
Deformímetro: ............................................................................................................. 8
4.3.
Instrumentos de medición: ......................................................................................... 8
4.4.
Cronómetro: ................................................................................................................ 8
4.5.
Balanza: ........................................................................................................................ 8
4.6.
Equipo misceláneo: ..................................................................................................... 8
MÉTODO............................................................................................................................. 9 5.1.
Obtención y preparación de muestras. ...................................................................... 9
5.2.
Preparación de la probeta. ......................................................................................... 9
5.3.
Procedimiento. ............................................................................................................. 9
6.
CONCLUSIONES ............................................................................................................. 10
7.
REFERENCIAS ................................................................................................................ 11
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1. INTRODUCCIÓN 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 última 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 proyectos que no requieran de un valor más preciso, ya que entrega un resultado conservador. Este ensayo puede definirse en teoría como un caso particular del ensayo triaxial. Es importante comprender el comportamiento de los suelos sometidos a cargas, ya que es en ellos o sobre ellos que se van a fundar las estructuras, ya sean puentes, edificios o carreteras, que requieren de una base firme, o más aún que pueden aprovechar las resistencias del suelo en beneficio de su propia capacidad y estabilidad, siendo el estudio y la experimentación las herramientas para conseguirlo, y finalmente poder predecir, con una cierta aproximación, el comportamiento ante las cargas de estas estructuras. Debido a la compleja y variable naturaleza de los suelos, en especial en lo referido ala resistencia al esfuerzo cortante, existen muchos métodos de ensayo para evaluar sus características. Aún cuando se utilizan otros métodos más representativos, como el triaxial, el ensayo de compresión simple cumple el objetivo buscado, sin tener que hacer un método tan complejo ni usar un equipo que a veces puede ser inaccesible, lo que significa menor costo. Este método de ensayo es aplicable solo a materiales cohesivos que no expulsan agua durante la etapa de carga 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 varvados, los limos, las turbas y las arenas no pueden ser analizados por este método para obtener valores significativos de la resistencia a la compresión no confinada. Este ensayo se realiza con el fin de determinar la resistencia o esfuerzo último de un suelo cohesivo a la compresión no confinada, mediante la aplicación de una carga axial con control de deformación y utilizando una muestra de suelo inalterada tallada en forma de cilindro, generalmente con una relación alto/diámetro igual a 2.
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UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURÍMAC El ensayo se realizó según la norma ASTM D2166-66, que especifica tanto la metodología construcción de los distintos tipos de probetas, realización del ensayo y los procedimientos matemáticos necesarios.
2. OBJETIVOS Al terminar este trabajo en el laboratorio el alumno será capaz de:
Reconocer y utilizar correctamente los materiales y el equipo necesario para realizar el ensayo de compresión no confinada, aprendiendo las características de cada uno, y los cuidados que se deben tomar para reali zar la experiencia.
Obtener datos a partir de los ensayos y anotarlos en un registro ordenado de acuerdo a un método establecido.
Procesar los datos obtenidos a través de formulaciones, tablas y gráficos, de manera que permitan sacar conclusiones sobre el ensayo realizado.
Comprender con exactitud la metodología y procedimientos usados en el ensayo, incluido el tiempo e intervalos con los que será ensayada la muestra.
Construir el gráfico esfuerzo-deformación a partir de los datos obtenidos de la experiencia y de las fórmulas teóricas necesarias.
3. MARCO TEORICO 3.1.El ensayo de compresión simple Tiene por finalidad, determinar la resistencia a la compresión no confinada (qu), de un cilindro de suelo cohesivo o semi-cohesivo, e indirectamente la resistencia al corte (qc), por la expresión.
Este cálculo se basa en el hecho de que el esfuerzo principal menor es cero (ya que al suelo lo rodea sólo la presión atmosférica) y que el ángulo de fricción interna (ɸ) del suelo se supone cero. Debido a numerosos estudios, se ha hecho evidente que este ensayo generalmente no proporciona un valor bastante confiable de la resistencia al corte de un suelo cohesivo, debido a la pérdida de la restricción lateral provista por la masa de suelo, las condiciones internas del suelo como el grado de saturación o la presión de poros que no puede controlarse y la fricción en los extremos producidas por las placas de apoyo. Sin embargo, si los resultados se interpretan adecuadamente, reconociendo las deficiencias del ensayo, estos serán razonablemente confiables.
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UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURÍMAC El ensayo de la compresión simple es un caso especial del ensayo triaxial, en el cual solamente se le aplica a la probeta la tensión longitudinal. Puesto que no es necesario el dispositivo para aplicar la presión lateral, y como, además, la muestra no necesita estar envuelta en una membrana de caucho, este ensayo se ha convertido en un ensayo sencillo de campo. El aparato es tan solo útil para ensayos rápidos sobre suelos predominantemente arcillosos que están saturados o casi saturados. Se podrá realizar de dos maneras, mediante un control de deformación o bien, mediante un control de esfuerzos. El primero, es ampliamente utilizado, controlando la velocidad de avance de la plataforma del equipo. El segundo, requiere ir realizando incrementos de carga, lo que puede causar errores en las deformaciones unitarias al producirse una carga adicional de impacto al aumentar la carga, por lo que resulta de prácticamente nula utilización. Como el
ensayo de compresión simple en arcillas relativamente impermeables se
efectúa cargando la probeta
con bastante
rapidez,
resulta
que,
en definitiva,
constituye también un ensayo sin drenaje si dicha arcilla está saturada. Como el ensayo de compresión simple es extraordinariamente fácil y barato de realizar, resulta que muy pocas veces se hacen los ensayos triaxiales en suelos saturados. Según el valor de la resistencia máxima a compresión simple, una arcilla se puede clasificar del modo que se indica a continuación (Terzaghi y Peck, 1955).
3.2.Tipos de rotura En un ensayo de compresión simple 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.
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UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURÍMAC En arcillas blandas aparece la rotura dúctil en el ensayo de compresión simple, 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 micro fisuras existentes bajo dicha concentración de tensiones. En una probeta sometida a compresión simple 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 el suelo y las placas de carga.
3.3.MEMORIA DE CÁLCULO A continuación se presenta el procedimiento matemático utilizado para obtener los resultados del informe. La deformación vertical unitaria ε [-] se calcula como:
El esfuerzo vertical sobre la probeta σ [kPa] se calcula como:
Debido a que el área transversal de la muestra aumenta a medida que se deforma axialmente, el área de la probeta para la correspondiente fuerza vertical se calcula como:
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UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURÍMAC El esfuerzo vertical máximo qu [kPa] se obtiene a partir del gráfico de esfuerzo vertical vs deformación vertical. Para obtener el esfuerzo de corte sobre la probeta τ [kPa], se tiene como relación fundamental del Círculo de Mohr que:
El esfuerzo de corte máximo Su [kPa], se obtiene a partir del gráfico de esfuerzo de corte vs esfuerzo vertical. De forma analítica, se tiene la siguiente relación:
La sensibilidad S [-] es la relación entre la resistencia a la compresión no confinada (CNC) en estado inalterado
qu (inalterado) y la resistencia a la CNC en estado
remoldeado qu(reoldeado) de una muestra de suelo cohesivo.
4. MATERIALES Los materiales utilizados en el ensayo de compresión no confinada son los siguientes.
4.1. Aparato de compresión: El aparato de compresión puede ser una báscula de plataforma equipada con un marco de carga activado con un gato de tornillo, o con un mecanismo de car ga hidráulica, o cualquier otro instrumento de compresión con suficiente capacidad de control para proporcionar la velocidad 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. Para suelos cuya resistencia 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 kg/cm2); para suelos con una resistencia a la compresión no
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UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURÍMAC confinada de 100 kPa (1kg/cm2) o mayor el aparato de compresión debe ser capaz de medir los esfuerzos compresivos con una precisión de 5 kPa (0,05 Kg/cm 2).
4.2. 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 cumpla estos requerimientos.
4.3. Instrumentos de medición: Micrómetro, u otro instrumento adecuado para medir las dimensiones físicas del espécimen dentro del 0,1% de la dimensión medida. Los pie
de metro o
calibradores Vernier no son recomendados para especímenes blandos que se deformarán a medida que los calibradores se colocan sobre el espécimen.
4.4. Cronómetro: Un instrumento de medición de tiempo, que indique el tiempo transcurrido con una precisión de 1 seg para controlar la velocidad de aplicación de deformación prescrita anteriormente.
4.5. Balanza: La balanza usada para pesar los especímenes, debe determinar su masa con una precisión de 0,1% de su masa total.
4.6. Equipo misceláneo: Incluye las herramientas para recortar y labrar la muestra, instrumentos para remoldear la muestra, y las hojas de datos.
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UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURÍMAC 5. MÉTODO El ensayo de compresión simple se realiza siguiendo el método dado a continuación:
5.1. Obtención y preparación de muestras.
Se extrae muestra del suelo lo mas inalterada posible de un tamaño suficiente para poder trasportarla al laboratorio sin que ésta se desintegre y no se produzcan grietas internas que puedan alterar los resultados del ensayo.
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.
5.2. Preparación de la probeta.
Los especimenes 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 a diámetro debe encontrarse entre 2 y 2,5.
Se talla la muestra de tal manera que la altura sea el doble del diámetro, este tallado se realiza de forma muy cuidadosa,
en lo posible tratando que el
material no se agriete en el tallado, realizado con un cuchillo.
El tamaño de la probeta se mide con un molde, de esta manera se llega a una probeta
bien
tallada
cumpliendo
con
la
condiciones
anteriormente
mencionadas, y se determina la altura promedio y el diámetro de la muestra para el ensayo utilizando los instrumentos especificados anteriormente.
5.3. Procedimiento.
Se coloca el espécimen en el aparato de carga de tal manera que quede centrado en la platina inferior.
Se ajusta el
instrumento de carga
cuidadosamente de tal manera que la platina superior apenas haga contacto con el espécimen. Se coloca en cero el indicador de deformación.
aplica la carga de tal manera que se produzca una deformación axial a razón de 0,05 plg/min.
Se registran los valores de carga, deformación y tiempo, del anillo de deformaciones y del anillo de cargas (0,0001”) a intervalos suficientes para definir la curva esfuerzo-deformación.
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Se continúa aplicando carga
hasta que los valores
de carga
decrezcan al
aumentar la deformación o hasta que se alcance una deformación igual a 0,2.
Finalmente, se confecciona un croquis de la probeta posterior al ensayo.
6. CONCLUSIONES El ensayo de compresión simple o no confinada es un ensayo relativamente sencillo que nos permite medir la carga última a la que un suelo sometido a una carga compresión falla. Sin embargo es muy importante tener en cuenta las simplificaciones que este ensayo supone, y por las cuales no es un método exacto, sino más bien aproximado, a pesar de esto es un ensayo muy solicitado, ya que la sencillez de su método y el equipo que utiliza lo convierten en un ensayo de bajo costo en relación a otros relacionados, como el ensayo triaxial, que requiere de equipo más especializado. Se podría decir que este ensayo es un caso particular del ensayo triaxial, en el que la presión lateral es igual a cero, y aunque esto pueda
significar
una
imprecisión,
pues
no
reproduce
claramente las condiciones en el terreno, en realidad se obtiene un resultado más conservador, ya que la presión lateral de confinamiento a yuda al suelo a resistir la carga, y al no existir ésta el valor obtenido sería inferior al real, lo que deja al ingeniero con un margen de seguridad adicional.
En este ensayo se trabaja manteniendo la
deformación constante, lo que se controla por medio del dial o deformímetro solidario a la muestra de suelo y el cronómetro, siendo la carga aplicada, o resistida, lo que varía y produce la forma de la curva esfuerzo-deformación. En lo que respecta al ensayo realizado por nosotros, después de llevar a cabo todos los procedimientos señalados en un apartado anterior, y luego del procesamiento de los datos obtenidos en las mediciones, podemos construir el gráfico esfuerzo-deformación, que representa el comportamiento del suelo sometido a cargas en progresivo aumento. El gráfico esfuerzo-deformación obtenido presenta una forma un tanto extraña, en la cual no podría definirse en forma precisa el módulo de elasticidad, aunque si el esfuerzo último o de rotura, ya que después de llegar a este valor, la resistencia decae bruscamente y la probeta se rompe visiblemente. Es posible que la forma del gráfico se deba principalmente a la inexperiencia del grupo en el manejo de la máquina de carga en el control de la velocidad de la deformación por medio del cronómetro, aunque la probeta fue tallada cuidadosamente. Otra explicación que podemos dar a la forma, la cual muestra una meseta o zona en que el esfuerzo se mantiene aumentando mucho la deformación, cercano a los 2 kg/cm 2, es que en ese
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UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURÍMAC momento se haya producido una acomodación de la probeta en uno de sus extremos o en ambos, que podrían no haber quedado perfectamente perpendiculares al eje. En resumen los resultados muestran un comportamiento que se aleja un poco del comportamiento típico de un suelo arcilloso, ya que el esfuerzo de rotura es bastante alto en comparación a otros suelos, a pesar de mantener bajas deformaciones, es por esto que concluimos que la rotura del suelo es de tipo frágil, tesis que queda avalada por las grietas casi verticales que se produjeron al final, y que se veían claramente luego de terminar el ensayo (ver fotografías). La resistencia del suelo o esfuerzo de compresión último es 3,37 kg/cm, valor que según la clasificación de Terzaghi mostrada en la sección Apoyo Teórico corresponde a un suelo de consistencia muy firme. También podemos obtener una aproximación de la resistencia al corte, simplemente dividendo este valor por 2, con lo que obtenemos 1,69kg/cm2 de resistencia al corte.
7. REFERENCIAS ASTM D2166-66,
“Método de Ensayo Estándar para la Resistencia a la compresión No-
Confinada de suelo cohesivo”, ASTM International, www.astm.org.
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