ENSAYO DE CBR

CAROLINA FERIA PEDREROSJAVIER MAURICIO ROBLEDO VEELASCO

CORPORACION UNIVERSITARIA MINUTO DE DIOSLABORATORIO DE PAVIMENTOS

GIRARDOT2014

ENSAYO DE CBR

CAROLINA FERIA PEDREROSJAVIER MAURICIO ROBLEDO VEELASCO

RAFAEL SANCHEZ VIUCHE

CORPORACION UNIVERSITARIA MINUTO DE DIOSLABORATORIO PAVIMENTOS

GIRARDOT2014

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCION OBJETIVOS MARCO TEÓRICO MATERIALES Y EQUIPOS PROCEDIMIENTO CALCULOS CONCLUSIONES ANEXOS BIBLIOGRAFIA

INTRODUCCIÓN

Realizar una evaluación de la calidad de los bancos de materialesque serán utilizados para el diseño y evaluación de pavimentos(para la conformación de bases y sub bases), con propósitos deconstrucción y rehabilitación requiere de una cuidadosadeterminación de factores tales como: calidad y propiedad de losmateriales, clasificación del tránsito, volúmenes diarios y sustasas de crecimiento reales, porcentajes de vehículos pesados,condiciones ambientales, etc. Sin duda, las propiedades de losmateriales constituyen uno de los factores más importantes en eldiseño estructural del pavimento, así como en el comportamientoque presente durante su vida útil. En el pasado, el diseño depavimentos flexibles ha involucrado correlaciones empíricas, lascuales fueron obtenidas con base en el comportamiento observadoen los materiales en campo.

Todo lo anterior lleva a la necesidad de profundizar en elconocimiento de los mecanismos de deformación de la calidad de

los materiales utilizados en carreteras, con la finalidad dellevar un exhaustivo control en los bancos de materiales que seutilizan para ello.

Uno de los ensayos más utilizados para determinar el valor de laresistencia al esfuerzo normal de un suelo es el método CBR oÍndice de California, según Norma AASHTO T 193-3 y ASTM D 1883-73.El CBR es el valor de la resistencia al esfuerzo normal de unsuelo ya sea como elemento estructural de base, sub base y subrasante bajo condiciones desfavorables de compactación y dehumedad. Los suelos granulares no plásticos y granulométricamentebien graduados, serán aquellos que alcancen mejor resultado devalores soportantes o CBR.

OBJETIVOS

GENERAL

Determinar el índice de resistencia de los suelos denominado Relación de soporte de california (CBR) evaluando la resistencia potencial del material ya sea sub rasante, base, sub base empleados en el diseño de pavimentos.

ESPECIFICOS

Determinar un índice CBR, que nos permita expresar las características de resistencia y deformación del suelo extraído (arena y afirmado).

Obtener un resultado lo más exacto posible para realizar correctamente una expresión gráfica Fuerza v/s Penetración del ensayo de la muestra de suelo.

Determinar los valores de humedad, densidad seca, y CBR paracada punto de las diferentes energías de compactación.

Analizar el valor obtenido en el ensayo de CBR y dar un criterio sobre su calidad y utilización en obra.

MARCO TEÓRICO

Este método fue propuesto en 1929 por los ingenieros T. E.Stanton y O. J. Porter del departamento de carreteras deCalifornia, cuya muestra utilizada fue la Piedra ChancadaCaliforniana. Desde esa fecha tanto en Europa como en América, elmétodo CBR se ha generalizado y es una forma de clasificación deun suelo para ser utilizado como sub rasante o material de baseen la construcción de carreteras.

Durante la segunda guerra mundial, el cuerpo de ingenieros de losEstados Unidos adoptó este ensayo para utilizarlo en laconstrucción de aeropuertos.

DEFINICIÓN DE CBR

CBR (California Bearing Ratio), Relación de Soporte de CaliforniaLa finalidad de este ensayo, es determinar la capacidad desoporte (CBR) de suelos y agregados compactados en laboratorio,con una humedad óptima y niveles de compactación variables. Es unmétodo desarrollado por la división de carreteras del Estado deCalifornia (EE.UU.) y sirve para evaluar la calidad relativa delsuelo para sub-rasante, sub-base y base de pavimentos.

El ensayo mide la resistencia al corte de un suelo bajocondiciones de humedad y densidad controladas, permitiendoobtener un (%) de la relación de soporte. El (%) CBR, estádefinido como la fuerza requerida para que un pistón normalizadopenetre a una profundidad determinada, expresada en porcentaje defuerza necesaria para que el pistón penetre a esa mismaprofundidad y con igual velocidad, en una probeta normalizadaconstituida por una muestra patrón de material chancado.

La expresión que define al CBR, es la siguiente:

De la ecuación se puede ver que el número CBR, es un porcentajede la carga unitaria patrón. En la práctica el símbolo de (%) sequita y la relación se presenta simplemente por el número entero.

Los valores de carga unitaria que deben utilizarse en la ecuaciónson:

Usualmente el número CBR, se basa en la relación de carga parauna penetración de 2,5 mm. (0,1"), sin embargo, si el valor deCBR a una penetración de 5 mm. (0,2") es mayor, el ensayo deberepetirse. Si en un segundo ensayo se produce nuevamente un valorde CBR mayor de 5 mm. de penetración, dicho valor será aceptadocomo valor del ensayo. Los ensayos de CBR se hacen sobre muestrascompactadas con un contenido de humedad óptimo, obtenido delensayo de compactación Proctor.

Ensayo CBR

Los ensayos de CBR se hacen usualmente sobre muestras compactadasal contenido de humedad óptimo para el suelo específicodeterminado utilizando el ensayo de compactación estándar omodificado. A continuación, utilizando los métodos 2 o 4 de lasnormas ASTM D698-70 o D1557-70 (para el molde de 15.5 cm. de

diámetro), se debe compactar muestras utilizando las siguientesenergías de compactación:

El ensayo de CBR se utiliza para establecer una relación entre elcomportamiento de los suelos principalmente utilizados como basesy sub rasantes bajo el pavimento de carreteras y aeropistas, lasiguiente tabla da una clasificación típica:

MATERIALES

Se procede como se indica en las normas mencionadas (Relacionesde peso unitario humedad en los suelos, con equipo estándar omodificado). Cuando más del 75 % en peso de la muestra pase porel tamiz de 19.1 mm (3/4"), se utiliza para el ensayo el materialque pasa por dicho tamiz. Cuando la fracción de la muestraretenida en el tamiz de 19.1 mm (3/4") sea superior a un 25% enpeso, se separa el material retenido en dicho tamiz y sesustituye por una proporción igual de material comprendido entrelos tamices de 19.1 mm (3/4") y de 4.75 mm (No. 4), obtenidatamizando otra porción de la muestra.

De la muestra así preparada se toma la cantidad necesaria para elensayo de apisonado, más unos 5 kg por cada molde CBR. Si elespécimen se va a sumergir, se toma una porción de material,entre 100 y 500g (según sea fino o tenga grava) antes de la

compactación y otra al final, se mezclan y se determina lahumedad del Suelo. Si la muestra no va a ser sumergida, laporción de material para determinar la humedad se toma del centrode la probeta resultante de compactar el suelo en el molde,después del ensayo de penetración.

EQUIPOS

Prensa CBR., es una prensa similar a las usadas en ensayos decompresión, utilizada para forzar la penetración de un pistón enel espécimen. El pistón se aloja en el cabezal y suscaracterísticas deben ajustarse a las especificadas en elnumeral.

El desplazamiento entre la base y el cabezal se debe poderregular a una velocidad uniforme de 1,27 mm (0.05") por minuto.La capacidad de la prensa y su sistema para la medida de cargadebe ser de 44.5 kN (10000 Ibf) o más y la precisión mínima en lamedida debe ser de 44 N (10 lbf) o menos.

Molde, de metal, cilíndrico, de 152,4mm ± 0.66 mm (6 ± 0.026") dediámetro interior y de 177,8 ± 0.46 mm (7 ± 0.018") de altura,provisto de un collar de metal suplementario de 50.8 mm (2.0") dealtura y una placa de base perforada de 9.53 mm (3/8") deespesor.

Las perforaciones de la base no excederán de 1,6 mm (28 1/16”)las mismas que deberán estar uniformemente espaciadas en lacircunferencia interior del molde de diámetro (Figura 1a). Labase se deberá poder ajustar a cualquier extremo del molde.Disco espaciador, de metal, de forma circular, de 150.8 mm (515/16”) de diámetro exterior y de 61,37 ± 0,127 mm (2,416 ±0,005”) de espesor (Figura 1b), para insertarlo como falso fondoen el molde cilíndrico durante la compactación.

Pisón de compactación como el descrito en el modo operativo deensayo Proctor Modificado, (equipo modificado). Expansiómetro,aparato medidor de expansión compuesto por:

-Una placa de metal perforada, por cada molde, de 149.2 mm (57/8") de diámetro, cuyas perforaciones no excedan de 1,6 mm(1/16") de diámetro. Estará provista de un vástago en el centrocon un sistema de tornillo que permita regular su altura.

-Un trípode cuyas patas puedan apoyarse en el borde del molde,que lleve montado y bien sujeto en el centro un dial(deformímetro), cuyo vástago coincida con el de la placa, deforma que permita controlar la posición de éste y medir laexpansión, con aproximación de 0.025 mm (0.001").

-Pesas. Uno o dos pesas anulares de metal que tengan una masatotal de 4,54 ± 0,02kg y pesas ranuradas de metal cada una conmasas de 2,27 ± 0,02 kg. Las pesas anular y ranurada deberántener 5 7/8” a 5 15/16” (149,23 mm a 150,81 mm) en diámetro;además de tener la pesa, anular un agujero central de 2 1/8”aproximado (53,98 mm) de diámetro.

Pistón de penetración, metálico de sección transversal circular,de 49.63 ± 0,13 mm (1,954 ± 0,005”) de diámetro, área de 19.35cm2 (3 pulg2) y con longitud necesaria para realizar el ensayo depenetración con las sobrecargas precisas de acuerdo con elnumeral 3.4, pero nunca menor de 101.6 mm (4").

Dos diales con recorrido mínimo de 25 mm (1") y divisioneslecturas en 0.025 mm (0.001"), uno de ellos provisto de una piezaque permita su acoplamiento en la prensa para medir lapenetración del pistón en la muestra.

-Una Poza, con capacidad suficiente para la inmersión de losmoldes en agua.

-2.10 Estufa, termostáticamente controlada, capas de mantener unatemperatura de 110 ± 5ºC (230 ± 9 ºF).

Balanzas, una de 20 kg de capacidad y otra de 1000 g consensibilidades de 1g y 0.1g, respectivamente.

-Tamices, de 4.76 mm (No. 4), 19.05 mm (3/4") y 50,80 mm (2"). -Misceláneos, de uso general como cuarteador, mezclador,cápsulas, probetas, espátulas, discos de papel de filtro deldiámetro del molde, etc.

PROCEDIMIENTO

El comportamiento de los suelos varía de acuerdo a su grado dealteración (inalterado y alterado) y a su granulometría ycaracterísticas físicas (granulares, finos, poco plásticos).El método a seguir para determinar el CBR será diferente en cadacaso.

El procedimiento es tal que los valores de la relación de soportese obtienen a partir de especímenes de ensayo que posean el mismopeso unitario y contenido de agua que se espera encontrar en elterreno. En general, la condición de humedad crítica (másdesfavorable) se tiene cuando el material está saturado. Por estarazón, el método original del Cuerpo de Ingenieros de E.U.A.contempla el ensayo de los especímenes después de estarsumergidos en agua por un período de cuatro (4) días confinados

en el molde con una sobrecarga igual al peso del pavimento queactuará sobre el material.Se determina la humedad óptima y la densidad máxima por medio delensayo de compactación elegido. Se compacta un número suficientede especímenes con variación en su contenido de agua, con el finde establecer definitivamente la humedad óptima y el pesounitario máximo. Dichos especímenes se preparan con diferentesenergías de compactación.

Normalmente, se usan la energía del Proctor Estándar, la delProctor Modificado y unaEnergía Inferior al Proctor Estándar. De esta forma, se puedeestudiar la variación de la relación de soporte con estos dosfactores que son los que la afectan principalmente. Losresultados se grafican en un diagrama de contenido de agua contrapeso unitario.

Se determina la humedad natural del suelo mediante secado enestufa, según la norma MTC E 108.

Conocida la humedad natural del suelo, se le añade lacantidad de agua que le falte para alcanzar la humedadfijada para el ensayo, generalmente la óptima determinadasegún el ensayo de compactación elegido y se mezclaíntimamente con la muestra. Elaboración de especímenes. Sepesa el molde con su base, se coloca el collar y el discoespaciador y, sobre éste, un disco de papel de filtro gruesodel mismo diámetro.

Una vez preparado el molde, se compacta el espécimen en suinterior, aplicando un sistema dinámico de compactación(ensayos mencionados, ídem Proctor Estándar o Modificado),pero utilizando en cada molde la proporción de agua y laenergía (número de capas y de golpes en cada capa)necesarias para que el suelo quede con la humedad y densidaddeseadas (véase Figura 2a). Es frecuente utilizar tres onueve moldes por cada muestra, según la clase de suelogranular o cohesivo, con grados diferentes de compactación.Para suelos granulares, la prueba se efectúa dando 55, 26 y12 golpes por capa y con contenido de agua correspondiente ala óptima. Para suelos cohesivos interesa mostrar su

comportamiento sobre un intervalo amplio de humedades. Lascurvas se desarrollan para 55, 26 y 12 golpes por capa, condiferentes humedades, con el fin de obtener una familia decurvas que muestran la relación entre el peso específico,humedad y relación de capacidad de soporte.

Si el espécimen se va a sumergir, se toma una porción dematerial, entre 100 y 500g (según sea fino o tenga grava)antes de la compactación y otra al final, se mezclan y sedetermina la humedad del Suelo. Si la muestra no va a sersumergida, la porción de material para determinar la humedadse toma del centro de la probeta resultante de compactar elsuelo en el molde, después del ensayo de penetración. Paraello el espécimen se saca del molde y se rompe por la mitad.

Terminada la compactación, se quita el collar y se enrasa elespécimen por medio de un enrasador o cuchillo de hojaresistente y bien recta. Cualquier depresión producida aleliminar partículas gruesas durante el enrase, se rellenarácon material sobrante sin gruesos, comprimiéndolo con laespátula.

Se desmonta el molde y se vuelve a montar invertido, sindisco espaciador, colocando un papel filtro entre el molde yla base. Se pesa. Inmersión. Se coloca sobre la superficiede la muestra invertida la placa perforada con vástago, y,sobre ésta, los anillos necesarios para completar unasobrecarga tal, que produzca una presión equivalente a laoriginada por todas las capas de materiales que hayan de irencima del suelo que se ensaya, la aproximación quedarádentro de los 2,27 kg (5,5 lb) correspondientes a una pesa.En ningún caso, la sobrecarga total será menor de 4,54 kg(10 lb)

Se toma la primera lectura para medir el hinchamientocolocando el trípode de medida con sus patas sobre losbordes del molde, haciendo coincidir el vástago del dial conel de la placa perforada. Se anota su lectura, el día y lahora. A continuación, se sumerge el molde en el tanque conla sobrecarga colocada dejando libre acceso al agua por laparte inferior y superior de la muestra. Se mantiene laprobeta en estas condiciones durante 96 horas (4 días) "conel nivel de agua aproximadamente constante. Es admisible

también un período de inmersión más corto si se trata desuelos granulares que se saturen de agua rápidamente y silos ensayos muestran que esto no afecta los resultados(véase Figura 2).

Al final del período de inmersión, se vuelve a leer eldeformímetro para medir el hinchamiento. Si es posible, sedeja el trípode en su posición, sin moverlo durante todo elperíodo de inmersión; no obstante, si fuera preciso, despuésde la primera lectura puede retirarse, marcando la posiciónde las patas en el borde del molde para poderla repetir enlecturas sucesivas. La expansión se calcula como unporcentaje de la altura del espécimen.

Después del periodo de inmersión se saca el molde del tanquey se vierte el agua retenida en la parte superior del mismo,sosteniendo firmemente la placa y sobrecarga en su posición.Se deja escurrir el molde durante 15 minutos en su posiciónnormal y a continuación se retira la sobrecarga y la placaperforada. Inmediatamente se pesa y se procede al ensayo depenetración según el proceso del numeral siguiente.

Es importante que no transcurra más tiempo que elindispensable desde cuando se retira la sobrecarga hastacuando vuelve a colocarse para el ensayo de penetración.Penetración. Se aplica una sobrecarga que sea suficiente,para producir una intensidad de carga igual al peso delpavimento (con ± 2.27 kg de aproximación) pero no menor de4.54 kg (10 lb). Para evitar el empuje hacia arriba delsuelo dentro del agujero de las pesas de sobrecarga, esconveniente asentar el pistón luego de poner la primerasobrecarga sobre la muestra, Llévese el conjunto a la prensay colóquese en el orificio central de la sobrecarga anular,el pistón de penetración y añade el resto de la sobrecargasi hubo inmersión, hasta completar la que se utilizó enella. Se monta el dial medidor de manera que se pueda medirla penetración del pistón y se aplica una carga de 50N (5kg) para que el pistón asiente. Seguidamente se sitúan encero las agujas de los diales medidores, el del anillodinamométrico, u otro dispositivo para medir la carga, y elde control de la penetración. Para evitar que la lectura depenetración se vea afectada por la lectura del anillo de

carga, el control de penetración deberá apoyarse entre elpistón y la muestra o molde.

CONCLUCIONES

En el ensayo Cbr la muestra es sumergida para prever lahipotética acumulación de humedad en el suelo después de laconstrucción.

En los resultados se observa claramente que la muestra quefue compactada con 56 golpes es el que mejor resultado arroja ya que se redujo larelación de vacíos que existe en la muestra, aumento dedensidad, y por lo tanto el suelo se comporta de una maneramás homogénea y resistente.

A la hora de comparar el % Cbr obtenido por la prensa y porel cono dinámico hubieron grandísimas discrepancias debidoprincipalmente a la calidad y calibración adecuada de losequipos del laboratorio

Es evidente que la compactación en el diseño de unaestructura de pavimento asegura su vida útil y su correctofuncionamiento; así como el agua sigue siendo un factordeterminante en el comportamiento de los materiales en laingeniería.

El CBR generalmente se obtiene para condiciones de materialcompactado y saturado, pero en la mayor de casos los cambiosclimáticos, los sistemas de drenaje, y otros factores nopermiten que el suelo llegue a las condiciones desaturación, es por esto que si existe la posibilidad derealizar el ensayo CBR en las condiciones ms similares allugar en donde se esta realizando nuestra construcción.

En el caso nuestro debido a que la curva de deformación nopresento puntos de inflexión por lo tanto no hubo lanecesidad de realizar la respectiva corrección.

Una de las principales dificultades en la realización delensayo es el momento de girar la muestra para colocar lapesa ya que en el caso de la muestra que recibió 12 golpespor capa el material se disgregaba y lógicamente se

alteraban los resultados motivo por el cual se puede repetirel ensayo.

BIBLIOGRAFIA

Instituto nacional de vías, Normas técnicas ``INVIAS E 172 de 2007``.

Instituto nacional de vías, Normas técnicas ``INVIAS E 148 de 2007``.

BADILLO, J Mecánica de suelos Tomo I. Editorial Limusa México 2005.