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 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.
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.
3. 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.
qu kg
qc =
2 cm 2
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.
1
Jiménez 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.
4. 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 Carga última
del suelo (kg/cm2)
Muy blanda <0,25
Blanda 0,25-0,50
Media 0,50-1,00
Firme 1,00-2,00
Muy firme 2,00-4,00
Dura >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.
5. 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).
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. RESULTADOS
Los valores obtenidos en el laboratorio se muestran a continuación en la tabla de cálculos y
resultados.
Tiempo Deformación Carga Deformación Área Esfuerzo
Probeta Anillo unitaria 1-ε corregida σ
(seg) (plg) 0,0001" (kg) ε (cm2) (kg/cm2)
15 0,0125 12 4,19 0,0030 0,9970 22,13 0,19
30 0,0250 31 7,02 0,0059 0,9941 22,20 0,32
45 0,0375 53 10,30 0,0089 0,9911 22,26 0,46
60 0,0500 80 14,32 0,0118 0,9882 22,33 0,64
75 0,0625 126 21,17 0,0148 0,9852 22,40 0,95
90 0,0750 211 33,84 0,0177 0,9823 22,46 1,51
105 0,0875 275 43,38 0,0207 0,9793 22,53 1,93
120 0,1000 300 47,10 0,0236 0,9764 22,60 2,08
135 0,1125 410 63,49 0,0266 0,9734 22,67 2,80
150 0,1250 495 76,16 0,0295 0,9705 22,74 3,35
165 0,1375 500 76,90 0,0325 0,9675 22,81 3,37
180 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 Inferior
5,20 5,35 5,30
2
ÁREA (cm )
Superior Central Inferior
21,24 22,48 22,06
D medio (cm) 5,30
A media (cm2) 22,06
ALTURA
cm plg
10,75 4,23
DESPUÉS DEL ENSAYO
Diámetro Altura
5,50 10,55
Los valores se obtuvieron con las siguientes fórmulas.
Áa
re s p rio
ue r +( 2 × re
Á a c n l)
e tra +Á a
re in rio
fe r
Áa
re md
e ia =
4
Df r a ió
e omc n po e
r b ta
Df r a ió
e omc n u ita
n ria =
L n itu
og d in ia
ic l po e
r b ta
10. Á a md
re e ia
Áa
re c rre id
o g a =
1 −D f rmc
e o a ió n u ita
n ria
Ca
ar
g = tr
( eu
L a
c ×)
04
, 9
1 +2
,4 [g ]
k
Carga kg
Esfuerzo = cm 2
Área corregida
Con los datos anteriores obtenemos el gráfico esfuerzo-deformación.
GRÁFICO ESFUERZO - DEFORMACIÓN
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 ión unitaria
11. 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.
12. 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
13. 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.
