Universidad Nacional de Ingeniería FIC – CISMID

C.B.R. (California Bearing Ratio)

Ing. Luis Chang ChangLaboratorio GeotécnicoCentro Peruano Japonés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres (CISMID)

Indice1.- Origen2.- Definición de CBR3.- Definición de Número de CBR4.- Determinación de CBR para suelos remoldados 4.1 Equipo 4.2 Preparación del material 4.3 Determinación de la densidad y humedad 4.4 Determinación de la expansión del material 4.5 Determinación de la resistencia a la penetración5- Cálculo del CBR 1A Suelos gravosos y arenosos 2B Suelos cohesivos, plásticos, poco o nada expansivos. 3C Suelos cohesivos, plásticos y expansivos6.- Valores referenciales, usos y suelos.

Este método fue propuesto en 1929 por los ingenieros T. E.Stanton y O. J. Porter del departamento de carreteras deCalifornia. Desde esa fecha tanto en Europa como enAmérica, el método CBR se ha generalizado y es una formade clasificación de un suelo para ser utilizado como sub-rasante o material de base en la construcción de carreteras.

Durante la segunda guerra mundial, el cuerpo de ingenierosde los Estados Unidos adoptó este ensayo para utilizarlo en laconstrucción de aeropuertos.

1.- Origen

2.- Definición de CBR

El CBR de un suelo es la carga unitaria correspondiente a0.1” ó 0.2” de penetración, expresada en por ciento en surespectivo valor estándar.

También se dice que mide la resistencia al corte de unsuelo bajo condiciones de humedad y densidadcontrolada. El ensayo permite obtener un número de larelación de soporte, que no es constante para un suelodado sino que se aplica solo al estado en el cual seencontraba el suelo durante el ensayo.

Fig 1. El asumido mecanismo de falla del suelogenerado por el pistón de 19.4 cm2 en el EnsayoC.B.R. La condición de frontera es un problema.

3.-Definición de número CBR3.-Definición de número CBR

El número CBR (o simplemente CBR), se obtiene de la relación dela carga unitaria (lbs/pulg2.) necesaria para lograr una ciertaprofundidad de penetración del pistón de penetración (19.4 cm2)dentro de la muestra compactada de suelo a un contenido dehumedad y densidad dadas con respecto a la carga unitaria patrón(lbs/pulg2.) requerida para obtener la misma profundidad depenetración en una muestra estándar de material triturado.

Los ensayos de CBR se hacen usualmente sobremuestras compactadas al contenido de humedadóptimo para un suelo específico, determinadoutilizando el ensayo de compactación estándar omodificado del experimento.

Proctor Estándar ASTM D 698

A B CPeso martillo (lb) 5.5 5.5 5.5Diám. molde (pulg) 4 4 6No. de capas 3 3 3No. golpes/capa 25 25 56

Proctor Modificado ASTM D 1557

A B CPeso martillo (lb) 10 10 10Diám. molde (pulg) 4 4 6No. de capas 5 5 5No. golpes/capa 25 25 56

6Diám. del molde (pulg.)

562510

5

10

No. golpes / capa

Martillo (lb.)

No. de capas

CBR - ASTM D 4429- 93

El método CBR comprende los 3 ensayos siguientes:

- Determinación de la densidad y humedad.- Determinación de las propiedades expansivas del material.- Determinación de la resistencia a la penetración.

El comportamiento de los suelos varía de acuerdo asu grado de alteración (inalterado y alterado) y a sugranulometría y características físicas (granulares,finos, poco plásticos).

El método a seguir para determinar el CBR serádiferente en cada caso.

A. Determinación del CBR de suelos perturbados y remoldados:1. Gravas y arenas sin cohesión.2. Suelos cohesivos, poco plásticos y poco o nada expansivo.3. Suelos cohesivos y expansivos.

B. Determinación del CBR de suelos inalterados.

C. Determinación del CBR in situ.

4.0 Determinación del CBR de Suelos 4.0 Determinación del CBR de Suelos Remoldados ASTM D 1883Remoldados ASTM D 18834.1 Equipo4.1 EquipoPara la Compactación

- Molde de diám.= 6”, altura de 7” a 8” y un collarín de 2”.- Disco espaciador de acero diám. 5 15/16” y alt. 2.5”- Pisón Peso 10 lb. y altura de caída 18”.- Trípode y extensómetro con aprox. 0.001”.- Pesas de plomo anular de 5 lbs c/u (2 pesas).Para la Prueba de Penetración

- Pistón sección circular Diám. = 2 pulg.- Aparato para aplicar la carga: Prensa hidráulica. V= 0.05 pulg/min. Con anillo calibrado.- Equipo misceláneo: balanza, horno, tamices, papel filtro, tanques para inmersión de muestra a saturar, cronómetro, extensómetros, etc.

Fig. 2. Equipo empleado para las pruebas de compactación ehinchamiento.

Foto 1. El equipo CBR para realizar, el tamizado,humedecimiento, la mezcla de suelo y la compactación.

4.2 Preparación del material4.2 Preparación del materiala) Secar el material al aire o calentándolo a 60o C.b) Desmenuzar los terrones existentes y tener cuidado de noromper las partículas individuales de la muestra.c) La muestra deberá tamizarse por la malla ¾ “ y la No. 4. Lafracción retenida en el tamiz ¾” deberá descartarse y reemplazarseen igual proporción por el material comprendido entre los tamices¾” y No. 4. Luego se mezcla bien.d) Se determina el contenido de humedad de la muestra asípreparada.

Cantidad de material

Para cada determinación de densidad (un punto de la curva decompactación), se necesitan 5 k de material. Para la curva con 6puntos se necesitará 30 k de material.Cada muestra se utiliza una sola vez.

4.3 Determinación de la densidad y humedad4.3 Determinación de la densidad y humedad

Preparar una muestra que tenga la misma densidad y humedad que se proyectaalcanzar en el sitio donde se construirá el pavimento. Procedimiento:

a) En el molde cilíndrico se coloca el disco espaciador y papel filtro grueso 6”.

b) La muestra se humedece añadiendo una cantidad de agua calculada. Semezcla uniformemente. La humedad entre dos muestras debe variar en 2%.

c) La muestra se divide en 5 partes. Se compacta en 5 capas con 10, 25 y 56golpes / capa. La briqueta compactada deberá tener un espesor de 5”.

d) Se quita el collarín, se enrasa la parte superior del molde, se volteará elmolde y se quitará la base del molde perforada y el disco espaciador.

e) Se pesará el molde con la muestra, se determinará la densidad y la humedadde la muestra.

Humedad de mezclado

Es un factor importane en suelos finos y debe controlarsedebidamente.

El contenido de humedad de la muestra amasada que se va acompactar, deberá ser igual al correspondiente a la densidad quese desea obtener, se ha comprobado que si esta humedad demezclado varía en ±0.5% de la que se desea obtener, los CBRvariarán apreciablemente aún cuando se obtenga una densidadaproximadamente igual a la densidad deseada.

4.4 Determinación de la expansión del material4.4 Determinación de la expansión del material

a)Determinada la densidad y humedad se coloca el papel filtro sobre la superficie enrasada, un plato metálico perforado y se volteará el molde.b) Sobre la superficie libre de la muestra se colocará papel filtro y se montará el plato con el vástago graduable. Luego sobre el plato se colocará varias pesas de plomo. La sobrecarga mínima será de 10 lbs.c) Colocado el vástago y las pesas, se colocará el molde dentro de un tanque o depósito lleno con agua.d) Se monta el trípode con un extensómetro y se toma una lectura inicial y se tomará cada 24 horas.e) Al cabo de las 96 horas o antes si el material es arenoso se anota la lectura final para calcular el hinchamiento. Se calcula el % de hinchamiento que es la lectura final menos la lectura inicial dividido entre la altura inicial de la muestra multiplicado por 100.

Los adobes, suelos orgánicos y algunos suelos cohesivos tienen expansiones muy grandes generalmente mayor del 10%.

Fig. 3. Disposición de las diferentes piezas, durante laejecución de los ensayos de hinchamiento y penetración.

Los especimenes son saturados por 96 horas,con una sobrecargaigual peso del pavimento que se utilizará en el campo pero enningún caso será menor que 4.50 k. Es necesario durante esteperiodo tomar registros de expansión cada 24 horas y al final dela saturación tomar el porcentaje de expansión que es:

E (%)= 100xmuestraladeAltura

Expansión

Las especificaciones establecen que los materiales de préstamo para:

Sub base deben tener expansiones menores de 2% Base “ “ “ 1%

Como dato informativo observar el hinchamiento versus el CBR:

Suelo con hinchamiento 3% o mas, generalmente tienen CBR < 9 %Suelo con hinchamiento 2% como máximo tienen CBR ≥ 15%Suelos con hinchamiento < 1% tienen generalmente CBR > 30%.

Drenaje

Después de saturada la muestra, se saca del cilindro ycuidadosamente se drena durante 15 minutos el agua libre quequeda. Como para drenar bien el agua es necesario voltear elcilindro sujétese bien el disco y las pesas metálicas al haceresta operación. Luego remuévase el disco, las pesas y el papelfiltro, pésese la muestra.

4.5 Determinación de la resistencia a la penetración4.5 Determinación de la resistencia a la penetración

a)a) Si no es necesario sumergir la muestra en agua, se colocará sobre ella la pesa anular y se montarán las pesas de plomo, de tal modo que se obtengauna sobrecarga semejante a la del pavimento a construirse. Pasar a c) y d).

b) Si la muestra ha sido sumergida en agua para medir su expansión, y después que haya sido drenada, se colocará la pesa anular y encima de las pesas deplomo que tenía la muestra cuando estaba sumergida en agua; o sea que lasobrecarga para la prueba de penetración deberá ser prácticamente igual a la sobrecarga que tenía durante el ensayo de hinchamiento.

c) El molde con la muestra y la sobrecarga, se coloca debajo de la prensa y seasienta el pistón sobre la muestra, aplicando una carga de 10 lbs.

d) Una vez asentado el pistón, se coloca en cero el extensómetro que mide lapenetración y el dial del extensómetro también se coloca en cero.

e) Se hinca el pistón en incrementos de 0.025” a la velocidad de0.05”/ minuto y se leen las cargas totales que ha sido necesarioaplicar hasta hincar el pistón 0.50 pulgada.

f) Una vez hincado el pistón hasta 0.50 pulgada, se suelta la cargalentamente; se retira el molde de la prensa y se quitan las pesas y labase metálica perforada.

g) Finalmente se determina el contenido de humedad de la muestra.

Para el control de campo, bastará determinar el contenido dehumedad correspondiente a la parte superior de la muestra pero enel laboratorio se recomienda tomar el promedio de los diferentescontenidos de humedad ( parte superior e inferior de la muestra).

Foto 2. El equipomanual de CBR.La muestra estáinstalada, el anilloy su dial dedeformaciones, eldial para medirlas deformacionesy el pistón de19.4 cm2 de áreatransversal.

Foto 3. El marco de carga, el anillo y el dialde deformaciones.

Foto 4. La muestra instalada, las columnas del marco,el pistón y el dial de deformaciones.

Foto 5. La manijuela del equipo para correr el ensayo.

Foto 6. El extractor de la muestra de los moldes. La palancadel gato y el marco del equipo.

5.- Cálculo del CBR5.- Cálculo del CBRLas lecturas tomadas, tanto de las penetraciones como de las cargas,se representan gráficamente en un sistema de coordenadas como se indicaen la Fig. 4.

Si la curva esfuerzo - penetración que se obtiene es semejante a la delensayo No. 1 de la Fig. 4, los valores anotados serán los que se tomen encuenta para el cálculo de CBR.

En cambio, si las curvas son semejantes a las correspondientes a los No. 2y 3, las curvas deberán ser corregidas trazando tangentes en la formaindicada en la Fig. 4. Los puntos A y B, donde dichas tangentes cortanel eje de abscisas, serán los nuevos ceros de las curvas.

Las cargas unitarias y penetraciones se determinaran a partir de estosceros. Si analizamos la curva del ensayo No. 3 tendremos que le esfuerzocorrespondiente a la penetración corregida de 0.1” será de 300 lb/pulg2 enlugar de 120 lb/pulg2, que es la correspondiente a la lectura inicial sincorregir de 0.1”.

Fig. 4. Curvas que relacionan la hincadel pistón con las presiones aplicadas.

CBR = El número CBR es un porcentaje de la carga unitaria patrón.

En la práctica, el símbolo de % se quita y la relación se presenta simplementepor el número entero.

Para determinar el CBR se toma como material de comparación la piedratriturada que sería el 100%, es decir CBR = 100%. La resistencia a lapenetración que presenta a la hinca del pistón es la siguiente:

Penetración Carga Unitaria Patrón mm pulg Mpa Psi k/cm2

2.5 0.10 6.9 1,000 705.0 0.20 0.3 1,500 105

7.5 0.30 13.0 1,900 133 10.0 0.40 16.0 2,300 161 12.7 0.50 18.0 2,600 182

(%)100xpatrónunitariaaargC

ensayodelunitariaaargCCBR

=

Si los CBR para 0.1” y 0.2” son semejantes,se recomienda usar en los cálculos, el CBRcorrespondiente a 0.2”.

Si el CBR correspondiente a 0.2” es muysuperior al CBR correspondiente al 0.1”,deberá repetirse el ensayo.

Fig. 5. Curvas esfuerzo – penetración para diferentestipos de suelos.

1A. Suelos gravosos y arenosos

Estos suelos en la clasificación unificada, corresponden a los siguientes grupos:GW, GP, SW y SP.

- Son suelos generalmente de Ip < 2 y de compactación rápida en el campo.

- En general el CBR casi no vería apreciablemente con los cambios de humedad.

- El CBR se puede determinar sin saturar la muestra.

- El CBR que se adopte podrá ser el que corresponde a su máxima densidad o sise sigue un criterio mas conservador, el menor de los CBR obtenidos.

- El CBR de estos suelos granulares es generalmente mayor de 20%.

1B Suelos cohesivos, plásticos, poco o nada expansivos

Estos suelos son los mas comunes y pertenecen a la siguiente clasificaciónunificada: GM, GC, SM, SC, CL, ML, OL.A- Se aplica a condiciones climatéricas normales y a aquellos suelos cuyo CBR no varíe apreciablemente con el contenido de humedad.

- No requiere estricto control de la humedad cuando se compacta en el campo.B- Se aplica a condiciones climatéricas desfavorable y a aquellos suelos que son muy sensibles a cambios de humedad.

- Se requiere un mayor control de la humedad en el campo.

Procedimiento I

A) Se determinará una curva compactación a 56 golpes.

B) Se preparan 3 muestras (56, 25, 10) a humedad óptima ± 0.5%.

C) Cada muestra se satura y se anota la expansión.

D) Después de las 96 horas se corre el ensayo.

E) El CBR de diseño será aquel correspondiente a la densidad que se especifique.

Fig. 6. Determinación del CBR para suelos poco “sensibles” acambios pequeños de humedad (Procedimiento I).

Procedimiento II

A) Se recomienda realizar 3 curvas de compactación cada una de ellas a 56, 25, 10 golpes/capa.

B) Se saturan por 96 horas, se determina el hinchamiento y se drena.

C) Se determina el CBR de cada muestra.

D) Las curvas correspondientes a los contenidos de humedad, densidades y valores corregidos de los CBR se representan como en la Fig 7.

E) En la Fig. 8A, se determina la zona densidad humedad, de acuerdo a la clase de obra y a las normas a seguirse.

F) El CBR de diseño se seleccionará de las curvas CBR - Densidad, CBR Humedad, representadas en las Fig 8B, y 8C.

G) Generalmente la densidad que se selecciona para determinar el CBR es la correspondiente al 95% de la MDS.

Fig. 7. Relación entre el esfuerzo de compactación por unidad devolumen y la densidad máxima.

Fig. 8. Familia de curvas que relacionan los CBR “corregidos”con los contenidos de humedad y densidades.

1C Suelos cohesivos, plásticos y expansivos

Estos suelos pertenecen a la clasificación unificada: MH, CH y OH.- El método que se sigue es semejante al Procedimiento II.- Seleccionar cuidadosamente las humedades y densidades.- No siempre la humedad óptima y la densidad máxima es la mas adecuada.- Muchas veces el hinchamiento de estos suelos es menor cuando se compacta a densidades y con humedades distintas a la densidad máxima y humedad óptima.- El CBR a usar es aquel en que el suelo presente menor hinchamiento.- Para facilitar la selección del CBR de diseño, es recomendable es recomendable representar gráficamente los % de hinchamiento vs. Los contenido de humedad en los diferentes estados de compactación.- La comparación de las curvas que relacionan los hinchamientos, CBR y densidades con las humedades de compactación permitirá establecer los límites de humedad y densidad apropiados, facilitando así la selección del CBR de diseño.

A1a,A2-4,A-3GW, GMBaseExcelente> 50

A-1b,A2-5, A-3,

A2-6GM,GC,SW,SM,SP,GP

Sub base ybase

Bueno20 - 50

A2,A4,A6,A7OL,CL,ML,SC,SM,SP

Sub baseRegular7 – 20

A4,A5,A6,A7OH,CH,MH,OLSub rasanteMuy pobre a regular3 – 7

A5, A6,A7OH,CH,MH,OLSub rasanteMuy pobre0 – 3

AASHTOUnificadoUsosClasificacióngeneral

No.CBR

Sistema de clasificación

6.- Valores referenciales de CBR, usos6.- Valores referenciales de CBR, usosy suelos.y suelos.

: LG01-159: MTC - PRT - PERT: Evaluación de la Carretera Corral Quemado - Río Nieva: Dpto. Amazonas: Enero, 2002

: 306 + 000 Profundidad (m) : 1.30: Suelo Natural Clasific. (SUCS) : CL

Humedad (%)Densidad Seca (g/cm³)

( mm )0.000.641.271.912.543.815.086.357.62

10.1612.70

Penetración (Pulg)Presión (lb/pulg²)C.B.R. (%)

0.200

( pulg )0.000

0.075

0.150

0.050

8.6

5330

Molde I

6.6

Densidad seca (g/cm³)

135

Molde II

Molde II( % )

UBICACIONFECHA

Humedad final (% )

INFORME NºSOLICITANTEPROYECTO

Identificación del molde

Progresiva (km)Tipo de capa

ENSAYO PRELIMINAR : PROCTOR MODIFICADO ( ASTM - D1557 A )

0.500

Número de capasGolpes por capa

0.025

Humedad inicial (% )

0.2500.3000.400

Penetración

0.100

Molde I Molde II

14.562.96.3

95.90.2

216.90.20.1

1.9911.989 2.061 2.061

Molde IIIETAPA DE COMPACTACION

5

204.4

9.7

1.89

47.233.0

19.0

4.05

95.9113.2132.0

3.12

18.9

62.980.2

28.355.086.5

2.79

0.00.0

172.9

44.069.297.5

111.6 125.8

169.8

ETAPA DE APLICACIÓN DE PRESIÓNMolde I

(lb/pulg²)

10.7 12.4

17.31.99

5569.7

216.9

Molde II(lb/pulg²)

Molde III(lb/pulg²)

0.0

149.3188.6

259.4224.8301.8385.1465.3

0.1 0.2

254.7301.8345.8

0.1Molde III

ETAPA DE CORRECCIÓN DE LA PRESION Identificación del molde

6.4 12.6125.812.6

111.611.2

188.6

Molde III( % )

TIEMPO( min )

279.7

2.0715.6

ETAPA DE EXPANSIONMolde I( % )

ENSAYO DE LA RELACION DE SOPORTE DE CALIFORNIA - C. B. R.(ASTM - D1883)

INFORME Nº : LG01-159 Progresiva (km) : 306 + 000

SOLICITANTE : MTC - PRT - PERT Tipo de capa : Suelo Natural

PROYECTO : Evaluación de la Carretera Corral Quemado - Río Nieva Profundidad (m) : 1.30

UBICACION : Dpto. Amazonas Clasific. (SUCS) : CL

FECHA : Enero, 2002 Ensayo preliminar : Proctor Modificado

CURVA DE PENETRACION

010

020

030

040

050

0

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Penetración (pulg.)

Pre

sión

(lb

/pu

lg²)

Molde I : 13 GolpesMolde II : 27 GolpesMolde III : 56 Golpes

CURVA CORREGIDA DE PENETRACION

010

020

030

040

050

0

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Penetración (pulg.)

Pre

sión

(lb

/pu

lg²)

Molde I : 13 GolpesMolde II : 27 GolpesMolde III : 56 Golpes

INFORME Nº : LG01-159 Progresiva (km) : 306 + 000SOLICITANTE : MTC - PRT - PERT Tipo de capa : Suelo NaturalPROYECTO : Evaluación de la Carretera Corral Quemado - Río Nieva Profundidad (m) : 1.30UBICACION : Dpto. Amazonas Clasific. (SUCS) : CLFECHA : Enero, 2002 Ensayo preliminar : Proctor Modificado

CURVA DE C.B.R.

Molde I

Molde II

Molde III

95 % M.D.S.

98 % M.D.S.

1.88

1.90

1.92

1.94

1.96

1.98

2.00

2.02

2.04

2.06

2.08

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

C.B.R. (%)

Den

sida

d S

eca

(g/c

m³)

0.1 Pulg.

0.2 Pulg.

CURVA DE COMPACTACION

O. C

. H.

M. D. S .

1.98

1.99

2.00

2.01

2.02

2.03

2.04

2.05

2.06

2.07

2.08

6 7 8 9 10 11 12 13

Humedad (%)

Den

sida

d S

eca

(g/c

m³)

RESULTADOS10.4 %C. B. R. (95%) =

12.1 %C. B. R. (98%) =

RESULTADOSO. C. H. = 9.7 %M. D. S. = 2.073 g/cm³

Bibliografía

- Bowles, Joseph E. (1981), “Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil” . Mc Graw-Hill BookCompany.

- Bowles, Joseph E. (1984), “Physical and Geotechnical Properties of Soils”. McGraw-Hill Book Company.

- Das, Braja M. (2001), “Fundamentos de Ingeniería Geotécnica”, Thomson Learning.

- Das, Braja M. (2001), “Principios de Ingeniería de Cimentaciones”, International Thomson Editores.

- Head, K. H. (1980), “Manual of Soil Laboratory Testing”, Volume 1, 2. Pentech Press London: Plymouth.

- JICA – TIATC (1988), Irrigation and Drainage Course, “Soil Test”

- Lambe, T. W. (1951), “Soil Testing for Engineers”, John Wiley and Son, New York.

- McCarthy, David F. (1988), “Essentials of soil Mechanics and Foundations: Basic Geotechnics”, Prentice Hall,Englewood Cliffs, New Jersey 07632.

- Universidad Nacional de Ingeniería – FIC ( ), “Laboratorio de Mecánica de Suelos”.

- Valle Rodas, Raúl (1982), “Carreteras, Calles y Aeropistas”, El Ateneo.

- Vivar Romero, Germán (1990-1991), “Diseño y Construcción de Pavimentos”, Ediciones CIP.