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OBJETIVO
Caracterizar mecnicamente el material para Base granular de la
cantera de
Chiguata mediante el ensayo normalizado de CBR, obteniendo dicho
ndice para
el 95% de la densidad mxima del Proctor Modificado.
Introduccin
Para el ingeniero de carreteras, el comportamiento mecnico del
suelo (que es
una estructura resistente), es sin duda el factor ms importante;
las propiedades
y los ensayos vistos anteriormente van encaminados a conseguir
la mayor
estabilidad mecnica posible, de manera que las tensiones se
transmitan
uniforme y progresivamente y no produzcan asientos excesivos o
colapsos.
El ensayo se basa en el modo operativo propuesto por MTC E 132,
su
actualizacin del ao 2000, que adaptan las normas ASTM D1883 y
AASHTO T
193 al nivel de implementacin y a las condiciones de la realidad
peruana.
La capacidad portante de un suelo puede definirse como la carga
que ste es
capaz de soportar sin que se produzcan asientos excesivos.
El indicador ms empleado en carreteras para determinar la
capacidad portante
de un suelo es el ndice CBR (California Bearing Ratio), llamado
as porque se
emple por primera vez en el estado de California. Este ndice est
calibrado
empricamente, es decir, se basa en determinaciones previamente
realizadas en
distintos tipos de suelos y que han sido convenientemente
tabuladas y
analizadas.
La determinacin de este parmetro se realiza mediante el
correspondiente
ensayo normalizado, y que consiste en un procedimiento conjunto
de
hinchamiento y penetracin.
El hinchamiento se determina sometiendo la muestra a un proceso
de inmersin
durante 4 das, aplicando una sobrecarga equivalente a la
previsible en
condiciones de uso de la carretera. Se efectuarn dos lecturas
una al inicio y
otra al final del proceso empleando un trpode 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 patologas en todo tipo de construcciones.
El ensayo de penetracin tiene por objetivo determinar la
capacidad portante del
suelo, presentando una estructura similar al SPT (Standard
Penetration Test)
empleado en Geotecnia. Se basa en la aplicacin de una presin
creciente
efectuada mediante una prensa a la que va acoplado un pistn de
seccin
anular- sobre una muestra de suelo compactada con una humedad
ptima
Prctor. La velocidad de penetracin de la carga tambin est
normalizada,
debiendo ser de 1,27 mm/min.
El ndice CBR se define como la relacin entre la presin necesaria
para que el
pistn penetre en el suelo una determinada profundidad y la
necesaria para
-
conseguir esa misma penetracin en una muestra patrn de grava
machacada,
expresada en tanto por ciento.
Generalmente se toman diversos pares de valores
presin-penetracin,
construyndose una grfica como la de la siguiente figura; en
ella, se toman los
valores correspondientes a una profundidad de 2.54 y 5.08 mm.
(0.1 y 0.2
pulgadas), comparndose con los de la muestra patrn para
dichas
profundidades. El ndice CBR del suelo ser el mayor de los dos
obtenidos.
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Materiales
A simple vista, se trata de un material granular con finos
adheridos, proviene de
la cantera de Chiguata, en Arequipa. Se puede apreciar que tiene
un tamao
mximo de aproximadamente 3 pulgadas de dimetro.
El material se trata de una grava bien graduada con finos (GW
con finos), segn
la clasificacin SUCS. El material se trata de un tipo A-1-b segn
la clasificacin
AASHTO.
Para el material se espera una densidad ptima del orden de 2.0 a
2.25 g/cm3 y
un C.B.R. in situ del orden de 60% - 80%. (Ban Blzquez, Luis;
Bevi Garca,
Jos Francisco. Manual de carreteras. Alicante : Ortiz e Hijos,
Contratistas de
Obras, S.A., 2000. Vol. 2 )
El material se enmarca en la gradacin B, del manual de
carreteras -
especificaciones tcnicas generales para construccin- EG
2013.
Mediante el ensayo normalizado de Proctor Modificado, con una
energa de
compactacin del 2,700KN*m/m3, se tuvo contenido ptimo de
humedad: 8.2%,
Peso Volumtrico seco Mximo: 1.968 g/cm3)
Gravedad especifica de los slidos 2.59
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Lista de materiales y Equipo
Tamiz #4, tamiz 3/8" o tamiz " (segn sea el mtodo A, B o C )
Bolsas de plstico, para conservar la humedad de las muestras
Molde de CBR (con la peculiaridad de que su base esta
perforada), de metal,
cilndrico, de 152,4mm 0.66 mm (6 0.026") de dimetro 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") de altura y una placa de base perforada de 9.53
mm (3/8") de
espesor. Las perforaciones de la base no excedern de 1,6 mm (28
1/16) las
mismas que debern estar uniformemente espaciadas en la
circunferencia
interior del molde de dimetro.
Martillo de Proctor modificado, El pisn debe caer libremente a
una distancia de
18 0,05 pulg (457,2 1,6 mm) de la superficie de espcimen. La
masa del
pisn ser 10 0,02 lb-m (4,54 0,01 kg). La cara golpeante del pisn
deber
ser plana y circular con un dimetro de 2,000 0,005 pulg (50,80
0,13 mm)
-
-Disco espaciador, de metal, de forma circular, de 150.8 mm (5
15/16) de
dimetro exterior y de 61,37 0,127 mm (2,416 0,005) de
espesor.
-Regla metlica y vernier, para tomar las dimensiones del
molde.
-Papel filtro, para la inmersin de la muestra
-
-Enrasador, para darle la terminacin lisa a la superficie de la
muestra
compactada, en el molde de CBR.
-Pesas, uno o dos pesas anulares de metal que tengan una masa
total de 4,54
0,02kg y pesas ranuradas de metal cada una con masas de 2,27
0,02 kg.
Las pesas anular y ranurada debern tener 5 7/8 a 5 15/16 (149,23
mm a
150,81 mm) en dimetro; adems de tener la pesa, anular un agujero
central de
2 1/8 aproximado (53,98 mm) de dimetro. (Que simulen la
sobrecarga de las
capas superiores del pavimento). A falta de instrucciones
concretas al respecto,
se puede determinar el espesor de las capas que se han de
construir por encima
del suelo que se ensaya (cada 15 cm (6") de espesor de
estructura del pavimento
corresponde aproximadamente a 4,54 kg (10 lb) de sobrecarga)
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-Disco perforado, una placa de metal perforada, por cada molde,
de 149.2 mm
(5 7/8") de dimetro, cuyas perforaciones no excedan de 1,6 mm
(1/16") de
dimetro. Estar provista de un vstago en el centro con un sistema
de tornillo
que permita regular su altura
-Trpode, cuyas patas puedan apoyarse en el borde del molde, que
lleve
montado y bien sujeto en el centro un dial (deformmetro), cuyo
vstago coincida
con el de la placa, de forma que permita controlar la posicin de
ste y medir la
expansin, con aproximacin de 0.025 mm (0.001"),para medir
expansiones en
el ensayo.
-Tanque, cubeta o un espacio donde sumergir un molde de unas 8
pulgadas de
altura (profundidad mnima).
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-Prensa de CBR, utilizada para forzar la penetracin de un pistn
en el
espcimen. El pistn se aloja en el cabezal, metlico de seccin
transversal
circular, de 49.63 0,13 mm (1,954 0,005) de dimetro, rea de
19.35 cm2 (3
pulg2) y con longitud necesaria para realizar el ensayo de
penetracin. La
capacidad de la prensa y su sistema para la medida de carga debe
ser de 44.5
kN (10000 Ibf).
Deformimetro digital, adaptable a la prensa de CBR
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Capsulas para contenido de humedad
Horno de temperatura regulable, capaz de mantener una
temperatura de 110
5 C
-Balanza con capacidad de 30 Kg y sensibilidad de +/- 01
gramo
-Balanza con capacidad de 6Kg y sensibilidad de +/- 0.01
gramo
-Bandejas y cucharones
-Esptulas
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Procedimiento de Ensayo
Previamente se debe contar con el dato de la humedad ptima del
ensayo de
Proctor Modificado. Para el mtodo seleccionado (Proctor A, B o
C) se prepara
material suficiente (aproximadamente 5500 gramos de material
hmedo por
cada molde a ensayar) al contenido de humedad del Proctor
modificado, para
tres moldes de material pasante de la malla oportuna (tamiz #4,
tamiz 3/8" o
tamiz " , segn sea el mtodo A, B o C correspondientemente), se
guarda en
bolsas, se deja curar hasta el da siguiente.
Al da siguiente, se toma el peso del molde de CBR (sin
collarn).
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Se ensambla el molde de manera que en la parte inferior quede el
disco
espaciador, colocando sobre la base el disco espaciador y encima
el molde
propiamente dicho, luego se ajustan los tornillos, as, se le
toman las
dimensiones al molde de CBR (en este caso, se tomaron 3 alturas
internas y 3
dimetros)
Se preparan discos de papel filtro, que se colocaran en la base
inferior de la
muestra justo por encima del disco espaciador.
Se le ajusta el collarn al molde de CBR para iniciar el
ensayo.
Para el primer punto
Se vierte una cantidad de suelo, correspondiente a la quinta
parte del
volumen del molde (restante, dado que en la parte inferior se ha
colocado
el disco espaciador)
Se aplican varios golpes de cada del martillo en cada capa (en
este caso
12 golpes por capa).Se van compactando las 5 capas de material,
hasta
que para la quinta capa se alcanza una altura ligeramente
superior a la
marca del collarn
-
Se retira el collarn, se enrasa con el enrasador.
Se le da la vuelta al molde, previamente se le coloca otro disco
de papel
filtro, se desajustan los tornillos, se invierte el molde, se
retira el disco
espaciador, se encaja la marca de la base y el molde, se vuelven
a ajustar
los tornillos. Y se pesa (molde con muestra hmeda)
Para el segundo y tercer punto, se procede de la misma manera,
solamente
variando el nmero de golpes por capa (para el segundo, 25 golpes
y para el
tercero 56 golpes por capa)
-
En cada caso, un vez invertido el molde se procede al ensayo de
expansin,
mediante inmersin. As:
Se podr notar que queda un espacio en la parte superior del
molde de
CBR, aun sin el collarn. Se colocan pesas (que simulen la
sobrecarga de
las capas superiores del pavimento) sobre un disco
perforado.
Se prepara el trpode con el deformimetro de reloj, para
medir
expansiones en el ensayo.
Se coloca el disco perforado con las pesas sobre el molde con la
muestra
"de cabeza", encajando en el espacio que quedo en la parte
superior del
molde de CBR.
-
Se procede a sumergir el conjunto.
Una vez sumergido se apoya el trpode sobre los bordes del molde
y con
la aguja del deformimetro "en contacto" con el disco
perforado.
Se deja saturar el conjunto por 4 das (en este caso, solo se lo
dejo por un
da)
Al cabo de estos 4 das, se retira el trpode, se toma la lectura
del deformimetro
de reloj (que ser la expansin del material), si hubiera.
Se retiran las pesas, y se toma el peso del molde con muestra
saturada.
-
Luego se realiza el ensayo de penetracin en la prensa CBR.
Se lleva el conjunto a la prensa y se coloca en el orificio
central de la pesa,
el pistn de penetracin y se aade el resto de la sobrecarga,
hasta
completar la que se utiliz en la inmersin, y se aplica una carga
(elevando
el molde contra el pistn fijo) suficiente para que el pistn
asiente sobre la
muestra compactada.
Se registran penetraciones (en pulgadas, medidas con un
deformimetro
digital) y se anotan las lecturas de carga para las
siguientes
penetraciones: 0.025, 0.05, 0.075, 0.10 ,0.125, 0.150, 0.20,
0.30, 0.40 y
0.50 pulgadas hasta cuanto resista la prensa.
Se retira el molde, con la base y los tornillos de la prensa de
CBR y se
toman muestras para contenido de humedad.
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Datos obtenidos en Laboratorio
12 GOLPES
N Ensayo
1 2
Wmol+sh (g)
12308 12556
Wmol (g) 8115 8115
Wsh (g)
Vmol (cm3)
2199.06 2199.06
Yh (g/cm3)
ID lat y5 y6 07.09.0 07.09.1
Wlat (g) 20.62 21.42 27.83 26.26
Wlat+sh (g)
42.85 45.05 102.58 82.32
Wlat+ss (g)
41.08 43.15 93.81 74.86
25 GOLPES
N Ensayo
1 2
Wmol+sh (g)
12587 12751
Wmol (g) 8193 8193
Wsh (g)
Vmol (cm3)
2165.15 2165.15
Yh (g/cm3)
ID lat s4 s5 s4 s5
Wlat (g) 21.03 20.87 21.03 20.87
Wlat+sh (g)
40.16 37.7 51.3 46.45
Wlat+ss (g)
38.57 36.31 47.99 43
-
56 GOLPES
N Ensayo
1 2
Wmol+sh (g)
12645 12816
Wmol (g) 8097 8097
Wsh (g)
Vmol (cm3)
2184.73 2184.73
Yh (g/cm3)
ID lat s1 y2 s1 y2
Wlat (g) 20.69 20.86 20.69 20.86
Wlat+sh (g)
51.33 56.43 65.64 57.54
Wlat+ss (g)
48.77 53.65 60.09 53.6
-
Clculos realizados y Resultados:
12 GOLPES
N Ensayo 1 2
Wmol+sh (g)
12308 12556
Wmol (g) 8115 8115
Wsh (g) 4193 4441
Vmol (cm3) 2199.06 2199.06
Yh (g/cm3) 1.907 2.020
ID lat y5 y6 07.09.0 07.09.1
Wlat (g) 20.62 21.42 27.83 26.26
Wlat+sh (g) 42.85 45.05 102.58 82.32
Wlat+ss (g) 41.08 43.15 93.81 74.86
Ww (g) 1.77 1.9 8.77 7.46
Ws (g) 20.46 21.73 65.98 48.6
w (%) 8.65% 8.74% 13.29% 15.35%
wprom (%) 8.70% 14.32%
Yd (g/cm3) 1.754 1.767
25 GOLPES
N Ensayo 1 2
Wmol+sh (g)
12587 12751
Wmol (g) 8193 8193
Wsh (g) 4394 4558
Vmol (cm3) 2165.15 2165.15
Yh (g/cm3) 2.029 2.105
ID lat s4 s5 s4 s5
Wlat (g) 21.03 20.87 21.03 20.87
Wlat+sh (g) 40.16 37.7 51.3 46.45
Wlat+ss (g) 38.57 36.31 47.99 43
Ww (g) 1.59 1.39 3.31 3.45
Ws (g) 17.54 15.44 26.96 22.13
w (%) 9.06% 9.00% 12.28% 15.59%
wprom (%) 9.03% 13.93%
Yd (g/cm3) 1.861 1.848
-
56 GOLPES
N Ensayo
1 2
Wmol+sh (g)
12645 12816
Wmol (g) 8097 8097
Wsh (g) 4548 4719
Vmol (cm3)
2184.73 2184.73
Yh (g/cm3)
2.082 2.160
ID lat s1 y2 s1 y2
Wlat (g) 20.69 20.86 20.69 20.86
Wlat+sh (g)
51.33 56.43 65.64 57.54
Wlat+ss (g)
48.77 53.65 60.09 53.6
Ww (g) 2.56 2.78 5.55 3.94
Ws (g) 28.08 32.79 39.4 32.74
w (%) 9.12% 8.48% 14.09% 12.03%
wprom (%)
8.80% 13.06%
Yd (g/cm3) 1.913 1.910
-
Ensayo de Penetracin:
12 GOLPES
penetracin F (lb)
0.025 45.69
0.05 108.18
0.075 177.91
0.1 263.57
0.15 468.24
0.2 661.35
0.3 954.03
0.4 1238.3
0.5 1577.02
25 GOLPES
penetracin F (lb)
0.025 103.94
0.05 348.63
0.075 727.61
0.1 1086.77
0.15 1686.02
0.2 2166.61
0.3 2800.64
0.4 3378.51
0.5 3830.16
56 GOLPES
penetracin F (lb)
0.025 161.62
0.05 835.28
0.075 1842.93
0.1 2968.85
0.15 5323.77
0.2 7395.8
0.21 7728.75
-
12 GOLPES
penetracion esf (psi)
0.025 15
0.05 36
0.075 59
0.1 88
0.15 156
0.2 220
0.3 318
0.4 413
0.5 526
-
12 GOLPES
Penetracin
esf, segn regresion
0.034 0.0
0.05 21.6
0.075 55.8
0.1 90.0
0.15 158.4
0.2 216.1
0.3 320.9
0.4 411.9
0.5 489.0
nuevo eje de penetracion esf(psi)
0.00 0.0
0.02 21.6
0.04 55.8
0.07 90.0
0.12 158.4
0.17 216.1
0.27 320.9
0.37 411.9
0.47 489.0
0.1 135.1 0.2 253.7
-
12 GOLPES
0.1 = 100 esf0.1
1000
0.1 = 100 135.1
1000
0.1 = 14
0.2 = 100 esf0.2
1500
0.2 = 100 253.7
1500
0.2 = 17
densidad seca 1.767
-
25 GOLPES
penetracion esf (psi)
0.025 35
0.05 116
0.075 243
0.1 362
0.15 562
0.2 722
0.3 934
0.4 1126
0.5 1277
-
25 GOLPES
penetracion esf segn regresion
0.007 0
0.05 144
0.075 249
0.1 348
0.15 533
0.2 697
0.3 964
0.4 1151
0.5 1257
nuevo eje de penetracion
esf segn regresion
0.000 0
0.043 144
0.068 249
0.093 348
0.143 533
0.193 697
0.293 964
0.393 1151
0.493 1257
0.1 369.1
0.2 718.2
-
25 GOLPES
0.1 = 100 esf0.1
1000
0.1 = 100 369.1
1000
0.1 = 37
0.2 = 100 esf0.2
1500
0.2 = 100 718.2
1500
0.2 = 48
densidad seca 1.848
-
56 GOLPES
penetracion esf (psi)
0.025 53.9
0.05 278.4
0.075 614.3
0.1 989.6
0.15 1774.6
0.2 2465.3
0.21 2576.3
y = -767004x3 + 204115x2 - 2970.8x + 12.557
y = -21350x2 + 21097x - 907.23
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
-
56 GOLPES
penetracion esf segn regresion
0.038 0.0
0.050 197.2
0.075 593.1
0.100 989.0
0.150 1776.9
0.200 2458.2
0.300 3500.4
0.400 4115.6
0.500 4303.8
nuevo eje de penetracion
esf segn regresion
0.000 0.0
0.012 197.2
0.037 593.1
0.062 989.0
0.112 1776.9
0.162 2458.2
0.262 3500.4
0.362 4115.6
0.462 4303.8
0.1 1579.5
0.2 2903.3
-
56 GOLPES
0.1 = 100 esf0.1
1000
0.1 = 100 1579.5
1000
0.1 = 158
0.2 = 100 esf0.2
1500
0.2 = 100 2903.3
1500
0.2 = 194
densidad seca 1.910
-
DENSIDAD SECA
CBR (%)
1.767 17
1.848 48
1.91 194
Mediante el ensayo normalizado de Proctor Modificado, con una
energa de
compactacin del 2,700KN*m/m3, se tuvo un Peso Volumtrico seco
Mximo de
1.968 g/cm3
El 95% DM, representa:
0.95 1.968 /3 = 1.8696 /3
Por el procedimiento de aproximacin de los splines cbicos, en
Matlab se pudo
obtener el valor para el CBR, correspondiente al 95% DM
como: CBR =86.83
-
Anlisis e interpretacin de resultados, conclusiones y
recomendaciones.-
-Se pudo caracterizar mecnicamente el material para Base
granular de la cantera de
Chiguata, respecto a su capacidad portante, mediante el ensayo
normalizado de CBR,
obteniendo un valor de 86.83 para el 95% de la densidad mxima
del Proctor
Modificado.
-Durante la ejecucin del ensayo, para el ensayo de expansin, se
nota que el suelo
asume incluso un valor negativo, mostrando ningn riesgo de
expansin, aadido al
hecho que no presenta plasticidad.
-Se sugiere permitir que la muestra permanezca sumergida por los
cuatro das que se
recomienda para rescatar un comportamiento posterior al primer
da para descartar
problemas de expansin.
-Como se puede observar la densidad de las muestras ensayadas no
vara
significamente de despus de saturarse, respecto a la muestra
antes de ser sumergida,
as se concluye que no hubo perdida del material, durante este
procedimiento.
-De acuerdo a los requerimientos granulomtricos de la seccin
403.02 del Manual de
carreteras especificaciones tcnicas generales para
construccin-EG 2013 , al
enmarcarse el material en el huso B, no se podra utilizar para
construir carreteras en el
Per a ms de 3000 m.s.n.m.
-De acuerdo a la tabla 403-02, se puede concluir que el material
base granular, si puede
ser utilizado para un diseo tal que no sobrepase el milln de
ejes equivalentes.
-Como se esperaba, el material tiene una densidad ptima del
orden de 2.0 g/cm3 y un
C.B.R. orden de 80%, por tratarse de una grava bien graduada con
finos no plsticos.
-No se recomienda , estimar el ndice CBR para grados de
compactacin menores al
95% del CBR, por tratarse de un ensayo rpido, el cual no ha sido
preparado a las
humedades optimas, de su correspondiente energa de
compactacin.
-
Bibliografia
- Ban Blzquez, Luis; Bevi Garca, Jos Francisco. Manual de
carreteras.
Alicante: Ortiz e Hijos, Contratistas de Obras, S.A., 2000. Vol.
2.
- Manual de carreteras especificaciones tcnicas generales para
construccin-
EG 2013 .Ministerio de transportes y comunicaciones del Per.
- Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniera Civil, Joseph E.
Bowles.
Editorial Mcgraw-Hill Latinoamericana S.A.
-Manual de ensayo de Materiales, MTC E 115 - 2000 ,Compactacin
de suelos
en laboratorio utilizando una energia Modificada, Instituto de
la construccin y
Gerencia.
-Manual de ensayo de Materiales, MTC E 132 2000 , CBR de suelos,
Instituto
de la construccin y Gerencia.
