MECANICA DE SUELOS ENSAYO CBR

INTEGRANTES:

RESUMENEn el presente trabajo trataremos sobre el ensayo CBR, esto lo haremos con el fin de conocer la resistencia portante de un cierto terreno, con la finalidad de complementar lo expuesto en el curso de Mecánica De Suelos; aquí les mostraremos a detalle las normas en general que son aplicables en diferentes países con sus respectivas diferencias, así también el desarrollo de dicho ensayo en laboratorio y como procesarlo en gabinete y finalmente como interpretarlo.

ANTECEDENTESComo se sabe el suelo o agregado que se usa para sub-rasante, sub-base de un pavimento tiene que cumplir estándares en cuanto a calidad para poder obtener un pavimento de calidad, en tal motivo y con fines educativos es que se realizó el ensayo de CBR para poder obtener la capacidad de soporte de nuestro suelo extraído en campo y ver si se puede utilizar para la conformación de sub-base, sub-rasante o base de un pavimento.

INTRODUCCIÓN El ensayo CBR sirve para medir la resistencia de un terreno de

cara a utilizarlo en una carretera, es decir, si ponemos ese terreno debajo del asfalto, y lo apisonamos bien, queremos saber si tras pasar muchos camiones terminarán saliéndole baches a la carretera o no.

El ensayo CBR permite aplicar varias normativas (ASTM, UNE, NLT y las normas Mexicana, Chilena, Colombiana y Peruana) aunque los cálculos que se realizan son básicamente los mismos, la norma ASTM es la base de todas las demás normas; existen pequeñas diferencias que pasamos a comentar.

OBJETIVOSObjetivo general:

Hacer el estudio completo de ensayo CBR según norma.Objetivos específicos:

Ver las normas relacionadas y aplicables a este ensayo Estudiar las diferencias de dichas normas  Aprender el procedimiento de dicho ensayo en laboratorio

y gabinete  Realizar un ejemplo de dicho ensayo.

NORMAS RELACIONADAS.  Las normas actualmente útiles

para el ensayo CBR son: NLT 111/87 (Norma Española

antigua) UNE 103.502:1995 (Norma

Europea actual) ASTM D1883-07 (Norma U.S.A.

"original") M-MMP-1-11-08 (Norma Mexicana) INV E-148-07 (Norma Colombiana) NCh1852.Of81 (Norma Chilena,

para una sola probeta) MTC E 132 - 2000N (Norma

Peruana, para una sola probeta).

LA COMPACTACIÓN EN SUELOS. Se entiende por compactación de los suelos al mejoramiento artificial

de sus propiedades mecánicas por medios mecánicos. Se distinguen de la consolidación de los suelos en que, en este último proceso el peso específico del material crece gradualmente bajo la acción natural de sobrecargar impuestos que provocan expulsión de agua por un proceso de difusión; ambos procesos involucran disminución de volumen, por lo que en el fondo son equivalentes.

IMPORTANCIA La importancia de la compactación de los suelos estriba en el aumente de la resistencia y disminución de capacidad deformación que se obtienen al sujetar al suelo a técnicas convenientes que aumenten su peso específico seco, disminuyendo sus vacíos. Por lo general, los técnicos de compactación se aplican a rellenos artificiales, tales como cortinas de presas de tierra, diques, terraplenes para caminos y ferrocarriles, muelles, pavimentos, etc. Algunas veces se hace necesario compactar el terreno natural, como en el caso de cimentaciones, sobre arenas sueltas. (Juárez, 2005)

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA COMPACTACIÓN DE SUELOS La compactación depende de una serie de características y condicionantes propias

del método de compactación que se utilice, de las condiciones que contenga el suelo antes de compactarlo; la naturaleza del suelo es muy influyente.

Todo proceso de compactación implica una doble acción en primer lugar será preciso romper y modificar la estructura original que el suelo tenía en el lugar donde fue recogido; en segundo lugar, habrá que actuar sobre el, modificando su disposición o acomodarlo de grumos, ´para hacer que el conjunto adopte una nueva estructura, más densa.

La energía de compactación es otra variable del proceso que implica gran influencia sobre el mismo, no es fácil conocer el valor exacto que se está empleando en un momento dado, es fácil tanto en campo como en laboratorio modificarla o modo gradual.

La energía puede cuantificarse en términos absolutos, aunque en forma aproximada, en 108 procesos de laboratorio que son pruebas de impactos causados por la caída de un pisón; la fórmula es:

NUMERO DE GOLPES POR CAPA.

Esta diferencia se refiere al número de golpes por capa que se le dá a dicha muestra en el molde por cada capa, estos moldes se van rellenando en 2 o más capas, según nos indique la norma para cada tipo de uso; habría que darle a dicho molde, con un pistón estandarizada y desde una altura que no varíe, para conseguir una "energía de compactación" equivalente a la utilizada en el ensayo proctor con el que obtuvimos la densidad máxima, es decir, si le damos 60 golpes "estándar" el molde debería conseguir aproximadamente la densidad máxima indicada en el proctor.

UNE y NLT: 60 golpes. ASTM, Mexico, Colombia, Perú y Chile: 56

golpes.

En la norma ASTM y en todas las normas americanas, el número de golpes no es totalmente fijo, se permite usar más o menos golpes si vemos que no conseguimos alcanzar la densidad máxima proctor, que al fin y al cabo es el objetivo final de darle todos estos golpes.

CALIFORNIA BEARING RATIO La capacidad portante del suelo puede definirse como la carga que

este es capaz de soportar sin que se produzcan asientos excesivos. El indicador más empleado en carreteras para determinar la capacidad portante del suelo es el índice CBR (CALIFORNIA BEARING RATIO), llamado así porque se empleó por primera vez en el estado de california. Este índice esta calibrado empíricamente, es decir se basa en determinaciones previas realizadas en distintos tipos de suelos y que ha sido convenientemente tabulados y analizados.

La determinación de este parámetro se realiza mediante el correspondiente ensayo normalizado (NLT-111), y que consiste en un procedimiento conjunto de hinchamiento y penetración.

HINCHAMIENTO

El hinchamiento se determina sometiendo la muestra a un proceso de inmersión durante 4 días, aplicando una sobrecarga equivalente a la previsible en condiciones de uso de la carretera. Se efectuaran dos lecturas- una al inicio y otra al final del proceso empleando un trípode debidamente calibrado. El hinchamiento adquiere una especial importancia en suelos arcillosos o con alto contenido en finos, ya que puede provocar asientos diferenciales, origen de diversas patologías en todo tipo de construcciones.

PENETRACIÓN

El ensayo de penetración tiene como objetivo determinar la capacidad portante del suelo, presentando una estructura similar al SPT (STANDARD PENETRATION TEST) empleado en geotecnia. Se basa en la aplicación de una presión creciente, efectuada mediante una presa a la que va acoplado un pistón de sección anular, sobre una muestra de suelo compactada con humedad optima proctor. La velocidad de penetración de la carga también es normalizada, debiendo ser de 1.27mm/mm.

INDICE DE CBR

El índice CBR se define como la relación entre la presión necesaria para que el pistón penetre en el suelo una determinada profundidad y la necesaria para conseguir esa misma penetración en una muestra patrón de grava modificada, expresada en tanto por ciento. (Boñon, 2000).

La determinación de CBR para suelos remodelados son de dos tipos: CBR para suelos cohesivos, a estos suelos les afecta la humedad de

compactación y la densidad, por lo que se ensaya cada muestra después de 4 días colocadas en agua.

CBR para suelos no cohesivos, como arenas limpias y gravas arenosas, no se ven afectados por la humedad de compactación dados que estos suelos generalmente se compactan con el tráfico. El ensayo se realiza después de compactarlos a su densidad máxima.

Con el índice de CBR diseñamos el espesor del pavimento por capas, como es el espesor de la subbase, base y capa de rodadura de acuerdo a los CBR de subrasante, subbase y base respectivamente.

CONVERTIR CARGAS EN PRESIONES

Solo tenemos que dividir la carga por el diámetro del pistón usado para aplicar la carga, que aunque en la práctica son los mismos, según las normas su diámetro varía ligeramente (en teoría, la superficie del pistón ha de ser de 3 pulgadas cuadradas):ASTM, Mexico, Colombia, Perú: 49.63 mmUNE y NLT: 49.60 mmChile: 49.5 mm. (indica que se utilice un área de 19.35 cm2, lo que corresponde a 49.635 mm).

PENETRACIONES “OBJETIVO”

Ya tenemos unas cargas aplicadas con un pistón de un cierto diámetro, es decir, presiones, pero necesitamos anotar la presión que corresponde con unas ciertas deformaciones (o penetraciones) del molde.ASTM, Mexico, Colombia, Perú y Chile: Usan 0.1" (2.54 mm) y 0.2" (5.08 mm)UNE y NLT: Usan valores redondeados de 2.5 y 5 mm.

PRESIONES IDEALES Ya tenemos dos cargas (o presiones) por cada molde, correspondientes a las penetraciones "objetivo": ahora podemos comparar nuestros moldes con el "caso ideal", ya que este "caso ideal" viene dado por las dos cargas -o presiones- necesarias para alcanzar las dos penetraciones "objetivo" en un molde con ese material "ideal". En cada norma nos dan el caso ideal usando parejas de cargas y/o presiones, una para 2.5 mm (0.1") y la otra para 5 mm (0.2"). NLT 2.5 mm: 1000 PSI, 6.90 Mpa. o 70.31 kp/cm2 NLT 5.0 mm: 1500 PSI, 10.35 Mpa o 105.46 kp/cm2 UNE 2.5 mm: 13.2 kN o 1346.9 kp UNE 5.0 mm: 20 kN o 2040.8 kp (1 kN = 1000/9.8 kp = 102 kp) ASTM 0.1": 1000 PSI o 6.90 MPa ASTM 0.2": 1500 PSI o 10.30 Mpa México 0.1": 13.34 kN México 0.2": 20.01 kN. (iguales que ASTM si se usa g=10) Colombia 0.1": 1000 PSI o 6.90 MPa Perú 0.1": 6.90 MN/m2 (o MPa) o 70.31 kgf/cm2 ó 1000 lb/pulgada2 (PSI). Perú 0.2": 10.35 MN/m2 (ó MPa) o 105.46 kgf/cm2 ó 1500 lb/pulgada2 (PSI).

ÍNDICE CBR DE CADA MOLDEDe las dos penetraciones "objetivo" hemos obtenido dos cargas por molde, pero necesitamos un único índice CBR para el molde. En teoría habría que convertir cargas a presiones, compararlas con las dos presiones ideales, obteniendo dos porcentajes, y finalmente quedarnos con uno de ellos. En la práctica esto se resume en multiplicar las dos cargas por dos coeficientes que nos den directamente esos porcentajes, más un criterio para elegir uno de los dos porcentajes que hemos obtenido. UNE : Máx(CBR2.50 * 0.0742, CBR5.00 * 0.049) NLT : Máx(CBR2.54 * 0.0735, CBR5.08 * 0.049) ASTM : Máx(CBR2.54 * 0.0749, CBR5.08 * 0.050) Mexico: Min(CBR2.54 * 0.0749, CBR5.08 * 0.050) Colombia: Máx(CBR2.54 * 0.0749, CBR5.08 * 0.050) Chile: Máx(CBR2.54 * 0.0749, CBR5.08 * 0.050) Perú: Máx(CBR2.54 * 0.0749, CBR5.08 * 0.050).

GRÁFICA DE DENSIDADES / ÍNDICE CBRUna vez se tienen los 3 moldes, disponemos de sus 3 densidades y sus tres índices CBR, y tenemos que representarlos en una gráfica, que se utiliza para determinar el índice CBR que correspondería con la densidad "objetivo" (densidad proctor * compactación objetivo).Pues resulta que algunas normas piden explícitamente situar las densidades en el eje X de esta gráfica (ASTM, Colombia y Mexico), mientras la UNE pide hacerlo en el eje Y.La NLT no lo menciona, así que por "proximidad" a la UNE se usa el eje Y para las densidades, mientras que la norma Chilena tampoco lo menciona, y por proximidad a la ASTM se utiliza el eje X. 

PASOS DEL PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO CBR El procedimiento comienza por saber que significa "lo apisonamos bien", y

eso se hace con el ensayo PROCTOR, que consiste en medir la densidad del material tras humedecerlo y aplastarlo: se humedece con 3 o 4 cantidades diferentes de agua, se compacta, y se mide su densidad. Ahora se dibuja una gráfica humedad-densidad uniendo los puntos obtenidos y se busca "visualmente" el máximo de la curva. Ese máximo corresponde a una cierta humedad (la óptima) y corresponde a un cierta densidad (la máxima).

Ahora se trata de saber, para ese densidad "máxima" (o un 98% de ella si no somos muy optimistas respecto de cuanto conseguiremos compactar -apisonar- el terreno en la práctica), cuanto aguantará el terreno.

Para ello se toman tres cilindros rellenos de este material, y se compactan con un martillo especial, dándoles martillazos, pero a unos moldes más y otros menos, de forma que el que más se compacte consiga, aproximadamente la densidad máxima proctor.

PASOS DEL PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO CBR Ahora se "mide" el índice CBR de cada uno: Se va poniendo carga sobre el cilindro

hasta que comprimimos el terreno 0.25 mm (0.1" en la norma ASTM), y comparamos la carga obtenida con la que aguantaría un terreno "ideal", que se fijó en su día en 1000 PSI (libras por pulgadas) usando un "terreno ideal" para carreteras de la zona de California (de aquí lo de C.B.R. o "California Bearing Ratio", algo así como "porcentaje de aguante Californiano").

Esto nos da un porcentaje: si nuestro terreno compactado con X golpes nos aguanta 600 PSI (hemos necesitado aplicarle esa presión para que se hundiese 0.25 mm) y el terreno ideal aguanta 1000 PSI, nuestra muestra de terreno tiene un índice CBR del 60%. Finalmente, tomamos los 3 índices CBR

obtenidos para los diferentes moldes (con diferentes compactaciones), medimos sus densidades, y trazamos una gráfica densidad-índice CBR. Como sabemos por el PROCTOR cual es la densidad que realmente alcanzaremos en obra, solo resta mirar, para esa "densidad objetivo" qué índice CBR nos da la gráfica.

PASOS DEL PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO CBR Ese es el índice CBR que tendrá nuestro material una vez colocado en

la carretera, humedecido con la humedad óptima, y compactado (apisonado) correctamente.

Finalmente, en obra solo nos quedaría tener cuidado con una cosa: Tras humedecer y apisonar una parte de terreno y antes de asfaltar, debemos medir la humedad y densidad real para asegurarnos de que hemos alcanzado el punto óptimo "PROCTOR" o necesitamos añadir más agua y volver a apisonar. Este es el ensayo de "densidad in-situ" que suele hacerse por métodos radioactivos para agilizar.

EQUIPOS UTILIZADOS EN EL ENSAYO

EJEMPLOEnsayo de índice de CBR. Materiales y equipos

Equipo CBR (3 moldes cilíndricos con placa base y collar de extensión, 3 discos espaciadores, 3 placas de extensión, 3sobrecargas cada una de 4.5 kg. De peso y 3 trípodes)

Pisón proctor modificado. Balanza de precisión 1 gr. 3 diales de extensión. Estufa con control de temperatura. Probeta 1000 ml. Recipiente de 6 kg. De capacidad. Estufa Taras identificadas. Muestra alterada seca. Papel filtro.

PROCEDIMIENTO.Consta de 3 faces. Compactación CBR (determinación de la densidad y la humedad del suelo). Ensayo de hinchamiento (determinación delas propiedad expansivas del material) Ensayo de carga (determinación a la resistencia a la penetración)Compactación CBR. Preparar la muestra con el contenido óptimo de humedad determinado en el

ensayo de compactación proctor modificado. Compactar la muestra en 5 capas en cada uno de los 3 moldes CBR el

primero con 13, el segundo con 27 y el tercero con 56 golpes por capa, para nuestro ensayo según norma ASTM.

Determinar la densidad húmeda y el contenido de humedad de las muestras de cada molde.

Determinar la densidad seca de las muestras de cada molde.

ENSAYO DE HINCHAMIENTO.

Invertir la muestra de tal manera que la superficie libre quede en la parte superior cuando se ensambla nuevamente los moldes con su placa base.

Colocar sobre cada muestra el papel filtro, la placa de expansión, la sobrecarga, el trípode y el dial de expansión.

Colocar los 3 moldes debidamente equipados en un tanque de agua durante cuatro días (96 horas) y registrar las lecturas de expansión cada 24 horas.

ENSAYO DE CARGA DE PENETRACIÓN: Después de 4 días sacar los moldes del tanque y de cada una de ellas retirar el

dial, trípode, sobrecarga y placa de expansión, dejarlos drenar 15 minutos. Colocar la sobrecarga en el molde, llevar a la prensa hidráulica, proceder a

realizar el ensayo de penetración, aplicando el pisón a una velocidad de 0.05 pulg/min. Registrar las lecturas de carga de cada muestra en las siguientes lecturas de penetración.

Determinar la densidad húmeda y contenido de humedad de las muestras de cada molde.

Calcular el esfuerzo aplicado correspondiente a cada capa. Dibujar las 3 curvas de esfuerzo-deformación correspondientes a las muestra

de cada molde, en escala natural, los valores de deformación se registran en el eje de las abscisas y el esfuerzo en el eje de las ordenadas. Si es necesario se corrigen las curvas dando nuevo origen.

ENSAYO DE CARGA DE PENETRACIÓN Determinar los esfuerzos para 0.1” y 0.2” de deformación de cada uno de los

esfuerzos-deformación. Determinar el índice CBR para 0.1” y 0.2” de penetración, los cuales se

obtienen dividiendo cada valor de esfuerzo correspondiente a 0.1” y 0.2” de la muestra ensayada.

Dibujar densidad seca versus CBR correspondiente a 0.1” y 0.2” de penetración.

El índice CBR de diseño es el valor correspondiente a 0.1” y 0.2” de penetración expresado en porcentaje con su respectivo valor estándar.

El N° CBR, se basa en la relación carga para una penetración 2.5 mm. (0.1”), sin embargo, si el CBR para 5.08 mm. (0.2”), es mayor, dicho valor se acepta como valor final.

RESULTADOS ENSAYO CBR FASE A. COMPACTACION.

ENSAYO CBR FACE B. PENETRACION

ENSAYO CBR FACE C. PENETRACION

ENSAYO CBR FASE A. COMPACTACION

CONTENIDO DE HUMEDAD

ENSAYO CBR FACE B. HINCHAMIENTO

ENSAYO CBR FACEC. PENETRACION

GRAFICA DE ESFUERZO PENETRACION

CONCLUSIONES Se Realizó el estudio completo del ensayo CBR según norma Conocimos y vimos las diferencias de las normas relacionadas con dicho ensayo Vimos el procedimiento que se hará en este ensayo, paso a paso tanto en

laboratorio como en gabinete realizando un ejemplo. Se aprendió que es CBR y lo importante que es realizar su estudio, para aplicar

en la vida profesionalRECOMENDACIONES: 

Profundizar los estudios del índice CBR en diseño de pavimentos. Analizar la posibilidad de mezclar suelos y lograr obtener mejores resultados de

compactación.

BIOGRAFÌA  E 050 - Reglamento Nacional de Edificaciones http://es.slideshare.net/santitrujillo1/ensayo-cbr http://www3.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/

mecanica7.htm http://www.cismid.uni.edu.pe/descargas/a_labgeo/

labgeo32_p.pdf http://www.carreteros.org/normativa/otros/nlt/relacion.htm http://www.aec.es/web/guest/centro-conocimiento/normas-

astm

GRACIAS POR SU ATENCIÓN