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 a

la 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.

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 realizar 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.

APOYO TEÓRICO1

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.

qc qu kg 2 cm2

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.

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.

1Jiménez J., Geotecnia y Cimientos I, Editorial Rueda, Madrid, 1971, p. 267, 268, 275-278.

Terzaghi K., Peck R., Mecánica de Suelos, El Ateneo, Buenos Aires, 1973, p. 96-98.

Head K., Manual of Soil Laboratory Testing, Pentech Press, London, 1982, p. 581-585, 601-607.

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).

Consistencia del suelo

Carga última (kg/cm2)

Muy blanda <0,25Blanda 0,25-0,50

Media 0,50-1,00Firme 1,00-2,00Muy firme 2,00-4,00Dura >4,00

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.

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 microfisuras 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.

MATERIALES

Los materiales utilizados en el ensayo de compresión no confinada son los siguientes.

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 carga 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/cm2) 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 confinada de 100 kPa (1

kg/cm2) o mayor el aparato de compresión debe ser capaz de medir los esfuerzos

compresivos con una precisión de 5 kPa (0,05 Kg/cm2).

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.

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 especimenes blandos que se deformarán a medida que

los calibradores se colocan sobre el espécimen.

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.

5. Balanza:

La balanza usada para pesar los especimenes, debe determinar su masa con una

precisión de 0,1% de su masa total.

6. Equipo misceláneo:

Incluye las herramientas para recortar y labrar la muestra, instrumentos para

remoldear la muestra, y las hojas de datos.

MÉTODO2

El ensayo de compresión simple se realiza siguiendo el método dado a continuación:

1. Obtención y preparación de muestras.

1.1 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.

1.2 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.

2. Preparación de la probeta.

2.1 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.

2.2 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.

2.3 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.

3. Procedimiento.

3.1 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

2 Método basado en la norma ASTM Standard D2166-91: Test Method for Unconfined Compressive Strenght of Cohesive Soil.

manera que la platina superior apenas haga contacto con el espécimen. Se coloca en cero el

indicador de deformación.

3.2 Se aplica la carga de tal manera que se produzca una deformación axial a

razón de 0,05 plg/min.

3.3 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.

3.4 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.

3.5 Finalmente, se confecciona un croquis de la probeta posterior al ensayo.

RESULTADOS

Los valores obtenidos en el laboratorio se muestran a continuación en la tabla de cálculos y

resultados.

Tiempo

(seg)

Deformación Carga

(kg)

Deformación unitaria

ε

1 - εÁrea

corregida

(cm2)

Esfuerzo σ

(kg/cm2)

Probeta

(plg)

Anillo

0,0001"15 0,0125 12 4,19 0,0030 0,9970 22,13 0,1930 0,0250 31 7,02 0,0059 0,9941 22,20 0,3245 0,0375 53 10,30 0,0089 0,9911 22,26 0,4660 0,0500 80 14,32 0,0118 0,9882 22,33 0,6475 0,0625 126 21,17 0,0148 0,9852 22,40 0,9590 0,0750 211 33,84 0,0177 0,9823 22,46 1,51105 0,0875 275 43,38 0,0207 0,9793 22,53 1,93120 0,1000 300 47,10 0,0236 0,9764 22,60 2,08135 0,1125 410 63,49 0,0266 0,9734 22,67 2,80150 0,1250 495 76,16 0,0295 0,9705 22,74 3,35165 0,1375 500 76,90 0,0325 0,9675 22,81 3,37180 0,1500 450 69,45 0,0354 0,9646 22,88 3,04

Además se muestran en las tablas siguientes los diámetros, áreas, el área media de cálculo,

la altura y las medidas principales después del ensayo.

DIÁMETRO (cm)Superior Central Inferior5,20 5,35 5,30

ÁREA (cm2)Superior Central Inferior21,24 22,48 22,06

D medio (cm) 5,30

A media (cm2) 22,06

ALTURAcm plg10,75 4,23

DESPUÉS DEL ENSAYODiámetro Altura5,50 10,55

Los valores se obtuvieron con las siguientes fórmulas.

Área

media

Áre

a

superior

(2 Área

4

central)

Área

inferior

Deformació

n unitaria

Deforma

ció

n probeta

Longitud inicial

probeta

Área

corregida Área

media

1 Deformació

n unitaria

Carga

(Lectura

0,149)

2,4

kg

EsfuerzoCarga

kg

Área corregida cm 2

Con los datos anteriores obtenemos el gráfico esfuerzo-deformación.

GRÁFICO ESFUERZO - DEFORM ACIÓN

4,00

3,50

3,00

2,50

2,00

1,50

1,00

0,50

0,00

0,0030 0,0059 0,0089 0,0118 0,0148 0,0177 0,0207 0,0236 0,0266 0,0295 0,0325 0,0354

Def ormac i ón uni t aria

ANEXO FOTOGRÁFICO

Fotografía 1, probeta después del ensayo.

Fotografía 2, acercamiento. Puede verse claramente que la falla se presenta principalmente

en forma de grietas verticales, que de acuerdo a la teoría de Griffith acusan una falla frágil

del suelo, producto de la concentración de tensiones en las fisuras del material sobre planos

paralelos a la dirección de la compresión. Esto podría explicar en parte las altas resistencias

alcanzadas por el suelo con bajísimas deformaciones, y la caída brusca de la resistencia

después del ensayo.

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 ayuda 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/cm2, es que en ese 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/cm2, 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 diviendo este valor por 2, con lo que obtenemos 1,69

kg/cm2 de resistencia al corte.

LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS

Daniel Santibáñez

Valdivia, 4 de junio de 2004