UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INGENIERÍA AGRÍCOLA
DEPARTAMENTO DE ORDENAMIENTO TERRITORIAL Y DESARROLLO SOSTENIBLE
Mecánica de Suelos Informe N°05 TEMA:
Ensayo de compresión no confinado
PROFESOR:
Ing. Málaga Cueva, Miguel
ALUMNOS : -
Sucasaire Loyola, Carolina
- Ramírez Bogovich, Charles
2015-I
MECANICA DE SUELOS ENSAYO DE COMPRESION NO CONFINADO
ÍNDICE I.-INTRODUCCION.................................................................................................................... 2
II.-OBJETIVOS ........................................................................................................................... 2 III.-MARCO TEORICO .............................................................................................................. 3 IV. MATERIALES Y EQUIPOS ................................................................................................ 6 V. PROCESO METODOLOGICO ........................................................................................... 7 5.1 MUESTRA TALLADA............................................................................................................. 7 5.2 MUESTRA REMOLDEADA .................................................................................................... 8 5.3 DE LAS DOS MUESTRAS ...................................................................................................... 9 VI. RESULTADOS ..................................................................................................................... 9 6.1 MUESTRA REMOLDEADA .................................................................................................... 9 6.2 MUESTRA TALLADA........................................................................................................... 10 6.3 DIAGRAMAS DE MÖHR ..................................................................................................... 11 6.4 INDICE DE SENSITIVIDAD .................................................................................................. 12 VII. DISCUSIONES.................................................................................................................. 12 VI.-CONCLUSIONES .............................................................................................................. 13 VII.-RECOMENDACIONES .................................................................................................... 14 VIII.-BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................ 14
MECANICA DE SUELOS ENSAYO DE COMPRESION NO CONFINADO I.-INTRODUCCION Para la construcción de taludes y represas o en diversas construcciones es necesario el conocimiento de la resistencia a esfuerzos cortantes del suelo, la deformación que generan estos esfuerzos es el resultado de diversas deformaciones internas y movimientos relativos que existen entre las numerosas partículas que componen al suelo. Existen varios métodos para la obtención de la resistencia a los esfuerzos de corte, el cual se representa de una manera más real como un esfuerzo en 3 direcciones o también llamado triaxial, para este informe se realizó el ensayo de compresión no confinada, al no existir un confinamiento (lo cual no es totalmente cierto debido a la humedad) se trabaja solamente con una carga, es decir, una carga uniaxial, es así como se desarrollará el presente informe teniendo en cuenta las diferencias entre las muestras alteradas (remoldeadas) e inalteradas (talladas) del suelo.
II.-OBJETIVOS
General: Introducir al estudiante a un procedimiento para determinar la resistencia al corte de suelos cohesivos mediante el ensayo de Compresión Inconfinada.
Específicos: Representar gráficamente e interpretar la relación que existe entre el esfuerzo normal y la deformación unitaria. Elaborar el círculo de Mohr para evaluar el esfuerzo cortante máximo en la muestra tallada y en la remoldeada. Estimar el índice de sensitividad de la muestra de suelo.
MECANICA DE SUELOS ENSAYO DE COMPRESION NO CONFINADO III.-MARCO TEORICO El ensayo 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 (Φ) del suelo se supone cero.
𝑞𝑐 =
𝑞𝑢 𝑘𝑔 [ ] 2 𝑐𝑚2
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.
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.
MECANICA DE SUELOS ENSAYO DE COMPRESION NO CONFINADO Consistencia del suelo Muy Blanda Blanda Media Firme Muy Firme Dura
Carga última (kg/cm2) <0.25 0.25-0.50 0.5-1.0 1.0-2.0 2.0-4.0 >4.0
Tabla Nª 01: “Consistencia de suelos cohesivos según la carga última”
La resistencia a compresión simple se usa como indicador de la consistencia de las arcillas. Los experimentos de compresión simple a veces se efectúan en suelos no saturados. Manteniendo constante la relación de vacíos de un espécimen de suelo, la resistencia a compresión simple disminuye rápidamente con el grado de saturación.
Para la determinación de los resultados se aplicaron las siguientes igualdades:
Diámetro representativo de la muestra (D) 𝐷=
𝑃𝑠 + 4 𝑃𝑚 + 𝑃𝑖 6
MECANICA DE SUELOS ENSAYO DE COMPRESION NO CONFINADO Área de la sección transversal (A₀)
𝐷=
𝜋𝐷 2 4
Volumen de la muestra (V) V = A ₀ x L₀
Área de la sección transversal corregida (A)
𝐴=
𝐴0 (1 − 𝜀1 )
𝐴0 : 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎(𝑚𝑚2) 𝜀1: 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑎𝑑𝑎, % Carga aplicada a la muestra (P) 𝑃 = 𝐿. 𝑑𝑖𝑎𝑙 ∗ 𝑘 Esfuerzo Normal (σ) 𝜎=
𝑃 𝐴
𝑘𝑔 𝑃: 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎, 𝑘𝑃𝑎 ( ) 𝑐𝑚2 𝐴: 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 Índice de Sensibilidad (S)
𝑆𝑡 =
𝑞𝑢( 𝐴𝑚𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜) 𝑞𝑢(𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝐴𝑙𝑡𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜)
MECANICA DE SUELOS ENSAYO DE COMPRESION NO CONFINADO Comportamiento de la arcilla Insensible ó que no se ve afectada cuando se la remoldea Moderadamente sensible Sensible Muy Sensible Ultrasensible. Estas generalmente se convierten en líquidos viscosos (quick)
Rango de variación de Sensibilidad S<2 216
Tabla Nª 02: “Comportamiento de la arcilla según el rango de sensibilidad”
IV. MATERIALES Y EQUIPOS MATERIALES Muestra de suelo cohesivo (arcilloso) EQUIPOS Dispositivo de carga axial Indicador de deformación . Placas de metal o plástico Molde metálico de forma cilíndrica (1.5” x 3”) Cuchillo Pisón compactador Balanza de alta precisión Horno
Figura N°01: ”Dispositivo de carga axial”
Figura N°02: “Indicador de deformación y fuerza”
MECANICA DE SUELOS ENSAYO DE COMPRESION NO CONFINADO
Figura N°03: “Muestra Inalterada”
Figura N°04: “Muestra Alterada”
V. PROCESO METODOLOGICO
5.1 MUESTRA TALLADA 1. Se toma una muestra de suelo cohesivo en estado natural y se talla dándole forma cilíndrica con la siguiente relación 2 ≤ Lo/d ≤ 2.5. 2. Se mide la altura del cilindro y el diámetro de su parte superior, media e inferior para calcular el promedio de la siguiente manera:
𝐷=
D𝑠 + 4 ∗ D𝑚 + D𝑖 6
De donde:
D = diámetro real Ds = diámetro superior. Dm = diámetro medio. Di = diámetro inferior. 3. Se pesa la muestra. 4. El espécimen es colocado cuidadosamente en la máquina de compresión. En seguida se establece el cero tanto en el dial de la máquina de compresión como en el deformímetro. 5. Se aplica al espécimen una carga variable (P) a una velocidad constante de tal manera que se produzca una deformación axial y anotamos los valores que se lean en el dial de la
MECANICA DE SUELOS ENSAYO DE COMPRESION NO CONFINADO máquina de compresión (L.dial) y en el deformímetro (ΔL) a intervalos establecidos en este último. 6. Seguimos aplicándole carga al espécimen hasta que ocurra lo siguiente: La carga sobre el espécimen decrezca significativamente. La carga sobre el espécimen se mantenga constante por cuatro lecturas. La deformación sobre el espécimen sobrepase significativamente el 15% de la deformación unitaria. 7. El espécimen ensayado es llevado al horno, donde permanece por 24 horas, después de las cuales, se pesa. 8. Con los datos obtenidos se calcula:
Área de la sección transversal del espécimen (Ao). Volumen de la espécimen (V) Densidad de la espécimen (ρ) Contenido de humedad del espécimen (W%) Deformación unitaria (ξ) Carga aplicada (P) Área de la sección transversal corregida (A’) Esfuerzo normal (σ)
Con los resultados obtenidos graficamos la curva esfuerzo – deformación unitaria, se determina el esfuerzo máximo (q) y se calcula la cohesión (C) con la siguiente fórmula:
5.2 MUESTRA REMOLDEADA 1. Con la densidad del suelo que se calculó en el ensayo anterior (d=1.84 Kg/cm3) y el volumen del molde (Vm=86.18 cm3), se calcula la masa de la muestra que se debe colocar en el molde metálico siendo este valor calculado de W=158.57gr., donde se compacta con la ayuda del pistón metálico hasta que el espécimen quede del tamaño del molde. 2. Se aplican las cargas variables a velocidad constante y se anotan los valores que se lean en el dial de la máquina de compresión (L.dial) y n el deformímetro (ΔL) a intervalos establecidos en este último. 3. Estas cargas se aplicaran hasta que ocurra lo siguiente: La carga decrezca abruptamente. La carga se mantenga constante durante cuatro lecturas seguidas. Cuando la deformación sobrepase el 15% de la deformación unitaria. 4. El espécimen ensayado es llevado al horno, donde permanece por 24 horas, después de las cuales, se pesa. y se hacen los cálculos correspondientes
MECANICA DE SUELOS ENSAYO DE COMPRESION NO CONFINADO
5.3 DE LAS DOS MUESTRAS Se grafica una curva de esfuerzo-deformación unitaria donde aparezcan las curvas obtenidas en la muestra remoldeada y tallada.
𝐶=
𝜎 2
VI. RESULTADOS 6.1 MUESTRA REMOLDEADA
DATOS OBTENIDOS EN LABORATORIO:
Tipo de Suelo: Arcilloso-Cohesivo Diámetro (D) = = 𝟑. 𝟖𝟏 𝒄𝒎 Longitud (Lo) = 7.51 cm Area de la sección transversal (Ao) = 11.40 cm2 Volumen (V) = 85.62 cm2 Peso (W) = 144.82 g Densidad (p) = 1.74 gr/cm3 Constante del dial (K) = 0.408 Contenido de la humedad: ((144.82-112)/112)*100 = 29.30% D (cm) = L (cm)= Ao (cm2) =
ξ (%) 0.0 0.5 1.0 2.0 3.0
ΔL (in) 0.0000 0.0148 0.0296 0.0591 0.0887
LD 0.0 2.0 11.0 19.6 22.0
3.81 7.51 11.401
P (Kg.) 0.0000 0.8160 4.4880 7.9968 8.9760
Ac (cm²) 9.4000 9.4472 9.4949 9.5918 9.6907
σ (Kg/cm²) 0.0000 0.0864 0.4727 0.8337 0.9262
TABLA N°03: “Resumen de datos calculados de la muestra remoldeada”
MECANICA DE SUELOS ENSAYO DE COMPRESION NO CONFINADO
Esfuerzo Normal (Kg/cm2)
Curva de Esfuerzo Normal - Deformacion Unitaria 1.0000 0.9000 0.8000 0.7000 0.6000 0.5000 0.4000 0.3000 0.2000 0.1000 0.0000 0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
Deformacion Unitaria (%)
GRAFICO N°01: “Curva de Esfuerzo Normal - Deformación Unitaria para la muestra remoldeada”
6.2 MUESTRA TALLADA
DATOS OBTENIDOS EN LABORATORIO:
Tipo de Suelo: Arcilloso-Cohesivo 𝐷 +4∗𝐷𝑚 +𝐷𝑖 Diámetro (D) = 𝑆 = 𝟑. 𝟖𝟔 𝒄𝒎 6 Longitud (Lo) = 7.89 cm Area de la sección transversal (Ao) = 11.70 cm2 Volumen (V) = 92.313 cm2 Peso (W) = 152.27 gr Densidad (p) = 1.65 gr/cm3 Constante del dial (K) = 0.408 Contenido de la humedad: ((152.27-117.14)/117.14)*100 = 29.98%
D (cm) = L (cm)= Ao (cm2) =
3.86 7.89 11.702
MECANICA DE SUELOS ENSAYO DE COMPRESION NO CONFINADO
ξ (%) 0.0 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0
ΔL (cm) 0.0000 0.0155 0.0311 0.0621 0.0932 0.1243
LD 0.0 6.7 14.0 22.7 36.9 48.9
P (Kg.) 0.0000 2.7336 5.7120 9.2616 15.0552 19.9512
Ac (cm²) 11.7021 11.7609 11.8203 11.9409 12.0640 12.1897
σ (Kg/cm²) 0.0000 0.2324 0.4832 0.7756 1.2479 1.6367
TABLA N°04: “Resumen de datos calculados de la muestra tallada”
Esfuerzo Normal (Kg/cm2)
Curva de Esfuerzo Normal Deformacion Unitaria 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.0000 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000 1.0000 1.2000 1.4000 1.6000 1.8000 Deformación Unitaria (ξ %)
GRAFICO N°02: “Curva de Esfuerzo Normal - Deformación Unitaria para la muestra tallada”
6.3 DIAGRAMAS DE MÖHR
DIAGRAMA N°01: “Círculo de Möhr de la muestra alterada”
MECANICA DE SUELOS ENSAYO DE COMPRESION NO CONFINADO
DIAGRAMA N°02: “Círculo de Möhr de la muestra inalterada”.
6.4 INDICE DE SENSITIVIDAD Se calcula de la siguiente manera: 𝑆𝑡 =
𝑞𝑢( 𝐴𝑚𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜) 𝑞𝑢(𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝐴𝑙𝑡𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜)
Se tiene: 𝑆𝑡 =
1.6367 = 1.767 0.9262
VII. DISCUSIONES La constancia con la que fue distribuida la carga puede ser no tan exacta debido a que se realizó manualmente, creando así ligeros cambios en los valores obtenidos. Las condiciones internas del suelo como grado de saturación y la presión del agua de los poros bajo esfuerzos de deformación no pueden controlarse en el experimento. Existe fricción entre los extremos de la muestra producida por las placas de carga continua, el cual originan fuerzas laterales que generan esfuerzos internos en una cantidad desconocida. Aunque el nombre del ensayo indica que el suelo no está confinado, existe cierto nivel de confinamiento debido al porcentaje de humedad presente en la muestra de suelo, esto debido a la tensión superficial que presenta el agua interna del suelo. El ensayo por carga axial de un suelo no confinado es solo aplicable para suelos del tipo cohesivo. La exposición de la muestra a la humedad del laboratorio por un largo periodo genera cambios en la humedad los cuales podrían afectar la resistencia a la compresión inconfinada.
MECANICA DE SUELOS ENSAYO DE COMPRESION NO CONFINADO .
VI.-CONCLUSIONES Los resultados obtenidos en la muestra tallada, es decir, la inalterada, nos muestra un valor más cercano a la realidad ya que las condiciones son más semejantes a la del terreno del cual ha sido extraída la muestra. Debido a la complejidad del suelo, ninguna prueba basta para estudiar todos los aspectos importantes del comportamiento de los esfuerzos y deformaciones. Se concluye que al estar expuesto en un ambiente de baja humedad, aumenta la resistencia a la compresión inconfinada de los especímenes, es decir, las muestras están alteradas por no haber sido utilizadas para el ensayo de manera inmediata. La muestra inalterada soportó un mayor esfuerzo de compresión en comparación a la muestra alterada, debido a que sus condiciones se asemejan más a la realidad. Las muestras no poseen un ángulo de fricción interna debido a que el mínimo esfuerzo de confinamiento es cero. La muestra alterada presenta una consistencia media mientras que la muestra inalterada una consistencia firme. El índice de sensibilidad obtenido es de 1.7 el cual está muy próximo al valor de 2 que nos indicaría que es el caso de una arcilla moderadamente sensible.
MECANICA DE SUELOS ENSAYO DE COMPRESION NO CONFINADO VII.-RECOMENDACIONES Al remoldear la muestra de suelo se debe cuidar que se mantengan las condiciones originales. Cuidar que al momento de llenado en el cono, la fuerza con la que se aplasta en todos los niveles debe ser igual (En la muestra remoldeada). Se debe estar atento a la aparición de grietas o planos de fallas en la muestra para poder detener el ensayo en aquel momento. Procurar de que la deformación unitaria aumente en 1% por cada minuto de carga constante que se está aplicando, es decir, se recomienda la utilización de un cronómetro para poder realizar un ensayo de una manera satisfactoria. Se recomienda realizar el ensayo apenas se exponga la muestra a las condiciones del laboratorio para evitar variaciones en la humedad del espécimen.
VIII.-BIBLIOGRAFIA
BOWLES, J. Manual de laboratorio de suelos en ingeniería civil. Editorial Mc-Graw Hill Latino América, S.A. Bogotá Colombia. 1978.
CRESPO VILLALAZ, C. Mecánica de suelos y cimentaciones. Quinta edición. Editorial Limusa Impreso en México. 2004.
LAMBE T. -WHITMAN L. Mecánica de suelos. Primera edición. Editorial Limusa. Impreso en México 1972.
GONZÁLEZ DE VALLEJO L. Ingeniería Geológica Editorial Pearson Educación. Impreso en España 2004.
Resistencia a la compresión no confinada de suelo cohesivo ASTM 2166-66