compresión no confinada
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Práctica de Laboratorio de SuelosTRANSCRIPT
Julio Ruiz
Compresión no Confinada
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COMPRESIÓN NO CONFINADA
1.- OBJETIVOS
o Determinar la resistencia máxima al corte de una muestra de suelo.
o Determinación del ángulo de rotura y el grado de cohesión de la muestra de suelo.
o
o Aprender el manejo de los instrumentos que se utilizan en la práctica.
2.- FUNDAMENTO TEÓRICO
El principio del esfuerzo efectivo es probablemente el concepto más importante en la ingeniería
geotécnica. En el cálculo y análisis de problemas como el asentamiento de los suelos, capacidad de carga de
fundaciones, estabilidad de presas, y presión lateral en estructuras de retención de tierra, la compresibilidad
y resistencia al corte de un suelo son las propiedades que más influyen en el diseño y estas propiedades
dependen en gran parte del esfuerzo efectivo, lo cual hace que el concepto del esfuerzo efectivo sea muy
importante en el análisis de estos problemas.
El suelo es una estructura esquelética de partículas sólidas en contacto, formando un sistema
intersticial de interconexiones entre los vacíos o poros. Los poros están parcial o totalmente llenos de agua.
Es por esta razón que los esfuerzos efectivos pueden presentarse en la naturaleza en diferentes maneras.
Suelos saturados con agua y cero de aire en los vacíos.
Suelos secos sin nada de agua en los vacíos
Suelos parcialmente saturados, con agua y aire en sus vacíos.
En los suelos a diferencia de otros materiales sus componentes (sólidos, agua y aire) no están
firmemente unidos y es por esta razón que la respuesta del suelo en conjunto a cualquier carga o la
transmisión de esfuerzos de esa carga al interior del suelo es la acumulación del comportamiento de sus tres
componentes. El esqueleto del suelo es por lo general muy deformable, debido al deslizamiento y
reorganización de las partículas. Por este motivo es que la deformación de una masa de suelo viene
controlada por la interacción entre las partículas individuales. Esta interacción entre la estructura del suelo
y el fluido en los poros determina el único comportamiento que depende del tiempo en la masa del suelo,
esto es debido a que el agua y el aire dentro los espacios vacíos entre partículas se comportan en forma
distinta según se apliquen las cargas muy rápida o muy lentamente.
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Para poder entender más fácilmente los esfuerzos y deformaciones que se producen en un suelo es
necesario primeramente definir claramente que son los esfuerzos y las deformaciones que producen. A
continuación se explica detalladamente esto.
Esfuerzos y deformaciones
Los esfuerzos que se producen en un material y las deformaciones que estos producen varían según la forma
en que se apliquen, produciendo esfuerzos y deformaciones normales o de corte.
Esfuerzos normales
Los esfuerzos normales son esfuerzos perpendiculares al área en que se apliquen. La deformación
normal es el cambio en la longitud dividida por la longitud inicial.
Para ilustrar mejor esto, se considera un cubo de dimensiones x = y = z el cual es sujeto a las
fuerzas normales Px, Py, Pz en sus tres lados adyacentes, como se muestra en la siguiente figura. Entonces
los esfuerzos normales son:
Esfuerzos y deformaciones de corte
Los esfuerzos de corte son los esfuerzos tangenciales a la superficie en la que actúan. Para ilustrar
esto de mejor manera se considera por simplicidad el plano XZ y se aplica una fuerza F que haga al
cuadrado torcer en un paralelogramo como muestra la siguiente figura. La fuerza F es una fuerza cortante
y el esfuerzo de corte es:
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Respuesta de los materiales a carga y descarga
La respuesta de los materiales sometidos a carga y descarga son las curvas esfuerzo-deformación y
varían mucho según las propiedades del material (composición), modo en que se apliquen las cargas
(cargado rápido o lento), trayectoria de esfuerzos del material (historia de los esfuerzos) y de la relación de
vacíos del material. Debido a esto es que se debe tomar en cuenta todos estos aspectos para poder obtener
resultados representativos del material.
Si se aplica un incremento de carga vertical ∆P, a un cilindro deformable con área de sección
transversal A como se muestra en la siguiente figura, el cilindro se comprimirá un ∆z y el radio aumentará
un ∆r. La condición de cargado que se aplica aquí se llama cargado uniaxial, ósea cargado en una
dirección respecto a un eje.
Respuesta de los materiales a esfuerzos de corte
La fuerza de corte tuerce a los materiales. Entonces la respuesta típica de un material elastoplástico
al corte simple será similar al que se muestra en la siguiente figura. El módulo de corte inicial (Gi) es la
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pendiente de la porción recta inicial de la curva zx versus zx. El módulo de corte secante (G) es la pendiente
de una línea entre un punto sobre la curva y el origen de la grafica zx versus zx. El modulo de corte
tangente (Gt) es la pendiente de una recta tangente trazada en la grafica zx versus zx como se muestra en la
siguiente figura:
Esfuerzo total
Los ingenieros geotécnicos lo llaman esfuerzo total por que es la suma de los esfuerzos absorbidos
por todas las fases del suelo, este esfuerzo es el que absorbe todo el peso en o sobre el suelo.
El esfuerzo total global se descompone en dos esfuerzos locales o principales, que son el esfuerzo total
vertical y el esfuerzo total horizontal. El esfuerzo total vertical a diferencia del esfuerzo horizontal, es
influenciado por las fuerzas gravitacionales y por consiguiente por el peso mismo del suelo y demás
elementos que se encuentren en o sobre este. En cambio el esfuerzo horizontal es influenciado por fuerzas
laterales en el terreno, de ahí que toma su principal interés en el diseño de muros o estructuras de retención,
ya que ahí es donde se analiza el empuje lateral del suelo. Es por esta razón que el esfuerzo vertical es de
mayor utilidad en esta práctica que el esfuerzo horizontal.
Port tal razón esta práctica trata del estudio de la aplicación de fuerzas verticales (solo fuerzas
verticales, sin dejar actuar fuerza horizontal alguna o fuerza de confinamiento) a muestras cilíndricas
compactadas de suelo, asemejándose al ensayo de rotura de cilindros de concreto.
Esta prueba está limitada solo para cohesivos o semi cohesivos, ya que los suelos que no tienen
cohesión (tal como la arena seca) no pueden permanecer verticalmente sin algún tipo de fuerza externa que
los sostenga.
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3.- INSTRUMENTOS Y MATERIALES
Equipo de compresión no confinada
Este equipo consta de un cabezal, base, soportes, pistones e indicadores de la carga y la
deformación, en la cual se aplica la muestra a ser tratada.
Cabezal
Indicador de P en
(*10-4 plg) Anillos
Indicador de
deformación (*10-3 plg)
Soportes Probeta
(muestra)
Base Manivela
Equipo de compactación Proctor Standard T-99
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El molde de compactación Proctor Standard consiste en un molde cilíndrico de acero con
tratamiento antioxidante de 4 pulgadas de diámetro por 6 pulgadas de altura. Con una capacidad de
pie3. El pisón, es un martillo de compactación que tiene una caída libre de 12 pulgadas de alto y un peso
de 5,5 libras deslizándolo dentro de una camisa guía todo el conjunto con tratamiento antioxidante.
Moldeador de probetas
Este pequeño aparato sirve para dar forma a las probetas cilíndricas con ayuda de una sierra
caladora.
Discos de vidrio Lucita
Cronómetro
Balanza
Calibrador de vernier
Transportador
Muestra
Se utilizó muestra fina, es decir, suelos cohesivos y semi cohesivos. Se usó una muestra de suelo
limoso arenoso tamizado en el tamiz 10 en una cantidad de 3000 gr.
4.- PROCEDIMIENTO
En los ensayos de laboratorio, el primer paso siempre es inspeccionar los instrumentos a utilizar,
comprobando que estos estén en un buen estado para que los errores debido a estos sean los más
reducidos posibles.
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Añadiendo cierta cantidad de agua a la muestra se logro darle un contenido de humedad entre 18 y 20
% para que esta sea compactada. La compactación de la muestra se la realizó usando el equipo de
compactación Proctor Standard T-99, a tres capas con 25 golpes por capa.
Después de extraer la muestra del molde de compactación, se dividió esta en cuatro partes iguales con
ayuda de una lámina metálica delgada, para obtener de la muestra más sana una probeta cilíndrica
con ayuda del moldeador y la sierra caladora. La obtención del cilindro deberá ser muy cuidadosa, ya
que ante una mínima rajadura esta es rechazada.
La muestra cilíndrica es colocada en el molde de aluminio, asegurando las abrazaderas y dándole una
superficie lisa a los extremos de la probeta. La relación entre la altura de la probeta cilíndrica y su
diámetro deberá ser de 2 a 1.
Se registran las dimensiones de la probeta junto con el peso de esta.
Con ayuda de los dos discos de vidrio Lucita, se instala la muestra cilíndrica en el equipo de
compresión no confinada, posicionándola correctamente en el centro de la base de los pistones y entre
los dos discos.
Girando la manivela, de cierra uno de los pistones de manera que su superficie llegue hasta la
superficie del disco superior encima de la muestra, si ejercer presión alguna. Se ajustan los diales en
cero donde el inferior nos dará la deformación de la altura ΔH *10-3 pulg, y el superior nos dará las
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lectura de las diales P *10-4 pulg. Donde mediante la grafica de calibración se hace la transformación a
lb.
Se realizan las lecturas de ΔH para tiempos de 10 segundos, accionando la manivela a una velocidad
constante de 0,5 pulg/min. Se toman las lectras hasta el instante en el cual la probeta falle o presente
fisuras.
Una vez que la probeta haya sido desalojada del equipo de compresión, se registran las dimensiones
finales con el calibrador de vernier, y con el trasportador se determina el ángulo de rotura.
De la misma muestra, una parte es pesada y colocada al horno dejándola durante 24 horas para luego
conocer su peso seco, y por tanto, el contenido de humedad con el cual se trabajó.
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5.- DATOS Y CÁLCULOS
Datos y iniciales de la probeta cilíndrica
o Altura inicial
o Diámetro inicial
o Área
o Peso de la probeta
Contenido de humedad
o Peso cápsula 19-B
o Peso cápsula mas muestra húmeda
o Peso cápsula mas muestra seca
o Peso muestra seca
o Peso del agua
o Contenido de humedad
Cálculos
Los cálculos se realizaran con las siguientes fórmulas
o Carga
El cálculo de esta carga se lo realiza mediante una curva que establece la relación entre la lectura
del dial [pulgadas*10-4] (eje y) y la carga aplicada P [lb] (eje x). Se busca la lectura del dial (eje y)
obtenida en laboratorio y se proyecta una línea horizontal hasta interceptar a la curva ya establecida; en
el punto de intersección, se proyecta una nueva línea vertical que intercepte con el eje de la carga
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aplicada (eje x). El valor que presenta la carga será el valor en el que la línea vertical cruza con el eje
horizontal de coordenadas.
Pero en nuestro caso se vio la necesidad de buscar alguna alternativa para determinar los valores de
la carga, ya que los valores obtenidos de la lectura del dial son demasiado pequeños para una buena
observación; de manera que se determinó la ecuación de la curva ya establecida, la cual es:
Donde: “y”, representa la lectura del dial (en pulgadas*10 -4)
“x”, representa la P carga aplicada en ese punto (en libras)
De manera que solo se reemplazaron los datos de la lectura del dial y así obtuvimos los datos de la
carga aplicada.
o Esfuerzo unitario longitudinal
Donde: , deformación (en pulgadas*10 -3)
altura inicial de la muestra
o Área corregida
Donde: A, área de la sección transversal de la probeta (1,70 pulg2)
o Esfuerzo
Donde: P, carga aplicada (lb)
Tabla de datos
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Tiempo [seg]
Deformación [pulg*10-3]
Carga [pulg*10-4]
P [lb]
Deformación [pulg] ε 1 - ε
Ac [pulg2]
σ [lb/pulg2]
10 9 1 0,31 0,009 0,00279 0,99721 1,707574 0,1815441
20 24 2 0,62 0,024 0,00744 0,99256 1,715577 0,3613944
30 34 4 1,24 0,034 0,01054 0,98946 1,720955 0,7205303
40 44 6 1,86 0,044 0,01365 0,98635 1,726366 1,0774079
50 57 8 2,48 0,057 0,01768 0,98232 1,733451 1,4306719
60 72 10 3,10 0,072 0,02233 0,97767 1,741699 1,7798708
70 88 14 4,34 0,088 0,02729 0,97271 1,750585 2,4791719
80 100 17 5,27 0,100 0,03101 0,96899 1,757308 2,9989051
90 115 21 6,51 0,115 0,03567 0,96433 1,765785 3,6867447
100 130 26 8,06 0,130 0,04032 0,95968 1,774345 4,5425214
110 143 30 9,30 0,143 0,04435 0,95565 1,781831 5,2193512
120 161 36 11,16 0,161 0,04993 0,95007 1,792300 6,2266349
130 174 42 13,02 0,174 0,05396 0,94604 1,799939 7,2335799
140 189 47 14,57 0,189 0,05862 0,94138 1,808833 8,0549156
150 204 52 16,12 0,204 0,06327 0,93673 1,817816 8,8677822
160 216 56 17,36 0,216 0,06699 0,93301 1,825067 9,5119778
170 230 62 19,22 0,230 0,07133 0,92867 1,833600 10,4821104
180 243 68 21,08 0,243 0,07536 0,92464 1,841595 11,4465970
190 255 73 22,63 0,255 0,07908 0,92092 1,849038 12,2387990
200 267 78 24,18 0,267 0,08281 0,91719 1,856540 13,0242257
210 284 83 25,73 0,284 0,08808 0,91192 1,867274 13,7794460
220 297 87 26,97 0,297 0,09211 0,90789 1,875566 14,3796587
230 314 91 28,21 0,314 0,09738 0,90262 1,886521 14,9534478
Parámetros para la resistencia al corte
De la tabla anterior observamos que la carga última es
En la probeta el ángulo de rotura es
El ángulo de fricción o rozamiento interno será
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o Cohesión
o Esfuerzo normal
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0.00
3
0.00
7
0.01
1
0.01
4
0.01
8
0.02
2
0.02
7
0.03
1
0.03
6
0.04
0
0.04
4
0.05
0
0.05
4
0.05
9
0.06
3
0.06
7
0.07
1
0.07
5
0.07
9
0.08
3
0.08
8
0.09
2
0.09
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Def
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lg^
2]
Esfuerzo ε
Diagrama Esfuerzo - Deformación