INDICE RESUMEN.................... ............................... ..................... ..................... ..................... ..................... ............................................ ................................. 1 INTRODUCCIÓN..................... ............................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... .............. .... 2 OBJETIVOS.................... ............................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ............................... ..................... 3 MARCO TEÓRICO.................... ............................... ..................... ..................... ..................... ..................... ................................. ...................... 4 1.1 ENSAYOS REQUERIDOS PARA CBR...................... ................................ ..................... ..................... ....................4 ..........4 CALIFORNIA BEARING RATIO RATIO (CBR) (CBR) (ASTM D – 1883 AASHTO T – 13)..............6 EQUIPOS UTILI!ADOS EN EL ENSAYO ENSAYO.................... ............................... ...................... ............................... .................... 10 E"#$%& ' "'*+ ' CBR..................... ............................... ..................... ..................... ........................................ .............................. 11 P,&+'*-*"&..................... ............................... ..................... ..................... ..................... ..................... ................................... ......................... 11 V,*/*+$+*0" ' +2-*-*"& ' &# ,#2$'&# &4"*'&# +&" $# "&,-$# ,#+*5$#...................... ................................ ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................. ........ 13 I",,$+*0" ' ,#2$'&#..................... ............................... ..................... ..................... ..................... ..........................14 ...............14 CONCLUSIONES...................... ................................ ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... .......... 15 RECOMENDACIONES.................... .............................. ..................... ..................... .............................................. .................................... 15 NORMATIVA.................... ............................... ..................... ..................... ...................... ................................................. ...................................... 15
RESUMEN En el presente trabajo trataremos sobre el ensayo CBR, esto lo haremos con el fin de conocer la resistencia portante de un cierto terreno, esto lo haremos con la finalidad de recordar lo expuesto en el curso de Mecánica De Suelos; au! les mostraremos a detalle las normas en "eneral ue son aplicables en diferentes pa!ses con sus respecti#as diferencias, as! tambi$n el desarrollo de dicho ensayo en laboratorio y como procesarlo en "abinete y finalmente como interpretarlo% Dicho trabajo será presentado y expuesto con la finalidad de ue todos los alumnos del curso de Mecánica De Suelos aprendamos a reali&ar dicho ensayo y procesarlo ya ue este nos será muy 'til como futuros in"enieros ci#iles ya ue esto nos ser#irá en la aplicaci(n en nuestra #ida profesional%
1
INTRODUCCIÓN El ensayo CBR sir#e para medir la resistencia de un terreno de cara a utili&arlo en una carretera, es decir, si ponemos ese terreno debajo del asfalto, y lo apisonamos bien, ueremos saber si tras pasar muchos camiones terminarán sali$ndole baches a la carretera o no% El ensayo CBR permite aplicar #arias normati#as )*S+M, -E, -.+ y las normas Mexicana, Chilena, Colombiana y /eruana0 aunue los cálculos ue se reali&an son básicamente los mismos, la norma *S+M es la base de todas las demás normas; existen peue1as diferencias ue pasamos a comentar% En el presente informe les presentaremos todo lo referente con lo ue respecta al ensayo de suelos, CBR; hablaremos de este a toda amplitud, as! tendremos las normas ue se deben aplicar para este ensayo, los pasos a se"uir, cálculos a reali&ar y demás fundamentos para tener claro dicho ensayo y reali&arlo con la exactitud máxima, ya ue esto nos será de mucha ayuda ya ue está incluido en nuestro campo de aplicaci(n en nuestra #ida profesional%
2
OBJETIVOS 1.1.
O46*5& 7",$ •
1.9.
2acer el estudio completo de ensayo CBR se"'n norma%
O46*5&# #+/*+&# •
3er las normas relacionadas y aplicables a este ensayo
•
Estudiar las diferencias de dichas normas
•
•
*prender el procedimiento de dicho ensayo en laboratorio y "abinete Reali&ar un ejemplo de dicho ensayo%
3
MARCO TEÓRICO 1.1 ENSAYOS REQUERIDOS PARA CBR 1.1.1. CONTENIDO DE HUMEDAD Es la proporci(n porcentual entre la fase l!uida y s(lida del suelo% .a importancia del contenido de a"ua ue presenta un suelo representa junto con la cantidad de aire, una de las caracter!sticas más importantes para explicar el comportamiento de este )especialmente en auellos de textura más fina0, como por ejemplo cambios de #olumen, cohesi(n, estabilidad mecánica%
(Mamlouk, 2009)
1.1.9. M:TODO DEL TAMI!ADO EN SECO n análisis "ranulom$trico por mallas se efect'a tomando una cantidad medida del suelo en seco, bien pul#eri&ados y pasándolo a tra#$s de una columna de mallas de abertura cada #e& más peue1a y con una charola en el fondo% Se mide la cantidad de suelo retenido en cada malla y se determina el porcentaje acumulado de suelo ue pasa a tra#$s de cada malla% Esta cifra se desi"na, "eneralmente, como el porcentaje de part!culas menores al tama1o asociado a la malla% (Braja, 2008)
1.1.3. ABRASIÓN EN LA M;QUINA DE LOS ;NGELES .a prueba de abrasi(n .os 4n"eles )*S+M C565, C7670 e#al'a la tenacidad y la resistencia a la abrasi(n de los áridos% En esta prueba, una muestra de áridos me&clada con una distribuci(n de tama1o fijo se coloca en un "ran tambor de acero con bolas de acero de tama1o estándar ue act'an como car"a abrasi#a%
(Mamlouk, 2009)
1.1.<. L=MITE L=QUIDO (ASTM D><93>?? (@9)) El l!mite l!uido de un suelo se determina por medio de la copa de Casa"rande )desi"naci(n de prueba D8965: de la *S+M0 y se define como el contenido de a"ua con el cual obtiene una cur#a en la ranura de 5%< mm )media pul"ada0 al aplicar 7 "olpes% (Braja, 2008)
1.1.. L=MITE PL;STICO (ASTM – <9< – (@1))
4
Se define como el contenido de a"ua, en porcentaje con el cual el suelo, al ser enrollado en rollitos de
3.2 mm
de diámetro, se
desmorona% El l!mite plástico es el l!mite inferior de la etapa plástica del suelo% .a prueba es simple y se lle#a a cabo enrollando repetidamente a mana sobre una placa de #idrio, una masa de suelo de forma elipsoidal% El procedimiento para la prueba de l!mite plástico se da en la prueba D = 965: de la *S+M% (Braja, 2001)
1.1.?. =NDICE DE PLASTICIDAD El !ndice de plasticidad )>/0, es la diferencia entre el l!mite l!uido y el l!mite plástico% IP=¿− LP
* i"ual de otros factores, cuanto mayor es el ?ndice de /lasticidad de un suelo menor es su permeabilidad% * las arenas limpias se les atribuye un ?ndice de /lasticidad nulo, aunue su #alor no se puede determinar con exactitud% (Jiménez y De Justo, 1975)
1.1.@. PRUEBA PROCTOR MODIFICADO. Con el desarrollo de rodillos pesados y su uso en la compactaci(n de campo, la prueba /roctor Estándar fue modificada para representar las condiciones de campo% * estas se le llama prueba /roctor Modificado )/rueba D = 577< de la *S+M y /rueba +8 5:@ de la **S2+A0% /ara lle#ar a cabo la prueba /roctor Modificado se usa el mismo molde, con un #olumen de 96%6 cm 6, como en el caso de la prueba /roctor Estándar% Sin embar"o, el suelo es compactado en cinco capas por un pis(n ue pesa 99%7 -% .a ca!da del martillo es de 97<% mm% El n'mero de "olpes de martillo por capa es de 7 a 7, se"'n sea el caso% Debido a ue incrementa el esfuer&o de compactaci(n, la prueba de /roctor Modificado resulta en un incremento del peso espec!fico seco máximo% Este incremento es acompa1ado por un decremento del contenido de a"ua (ptimo (Braja, 2001)
CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR) (ASTM D – 1883 AASHTO T – 13) .a capacidad portante del suelo puede definirse como la car"a ue este es capa& de soportar sin ue se produ&can asientos excesi#os% El indicador 5
más empleado en carreteras para determinar la capacidad portante del suelo es el !ndice CBR )C*.>AR->* BE*R>- R*+>A0, llamado as! porue se emple( por primera #e& en el estado de california% Este !ndice esta calibrado emp!ricamente, es decir se basa en determinaciones pre#ias
reali&adas en distintos tipos de suelos y ue ha sido
con#enientemente tabulados y anali&ados% Describe el procedimiento de ensayo para la determinaci(n de un !ndice de resistencia de los suelos denominado #alor de la relaci(n de soporte, ue es muy conocido como CBR% El ensayo se reali&a normalmente sobre suelo preparado en el laboratorio en condiciones determinadas de humedad y densidad; pero tambi$n puede operarse en forma análo"a sobre muestras inalteradas tomadas del terreno% Este !ndice se utili&a para e#aluar la capacidad de soporte de los suelos de subrasante y de las capas de base, sub8base y de afirmado% Este modo operati#o hace referencia a los ensayos para determinaci(n de las relaciones de peso unitario = humedad, usando un euipo modificado% (M!" # 1$2%2000)
NORMAS RELACIONADAS. .as normas actualmente 'tiles para el ensayo CBR sonF • •
*S+M D5::68@< )-orma %S%*% Gori"inalG0 M+C E 56 8 @@@- )-orma /eruana, para una sola probeta0%
Entre al"unas diferencias entre estas tenemosF
1.1.
L$ +&-$+$+*0" " #2&#.
Se entiende por compactaci(n de los suelos al mejoramiento artificial de sus
propiedades mecánicas por medios mecánicos% Se distin"uen de la consolidaci(n de los suelos en ue, en este 'ltimo proceso el peso espec!fico
del material crece "radualmente bajo la acci(n natural de
sobrecar"ar impuestos ue pro#ocan expulsi(n de a"ua por un proceso de
difusi(n; ambos procesos in#olucran disminuci(n de #olumen, por lo ue en el fondo son eui#alentes% .a importancia de la compactaci(n de los suelos estriba en el aumente de la resistencia y disminuci(n de capacidad deformaci(n ue se obtienen al sujetar al suelo a t$cnicas con#enientes ue aumenten su peso 6
espec!fico seco, disminuyendo sus #ac!os% /or lo "eneral, los t$cnicos de compactaci(n se aplican a rellenos artificiales, tales como cortinas de presas de tierra, diues, terraplenes para caminos y ferrocarriles, muelles, pa#imentos, etc% *l"unas #eces se hace necesario compactar terreno natural, como en el caso de
cimentaciones,
sobre
el
arenas
sueltas% (Ju&rez, 2005)
F$+&,# 2 *"/2%" " $ +&-$+$+*0" ' #2&# .a compactaci(n depende de una serie de caracter!sticas y condicionantes propias del m$todo de compactaci(n ue se utilice, de las condiciones ue conten"a el suelo antes de compactarlo; la naturale&a del suelo es muy influyente; en la tecnolo"!a de materiales terceos, pre#alece la esencial diferencia entre suelos de estructura simple y forma euidimensional com'nmente denominados en los libros "ra#as, arenas, limo no plásticos y los suelos laminares% +odo proceso de compactaci(n implica una doble acci(n en primer lu"ar será preciso romper y modificar la estructura ori"inal ue el suelo ten!a en el lu"ar donde fue reco"ido; en se"undo lu"ar, habrá ue actuar sobre $l, modificando su disposici(n o acomodarlo de "rumos, Hpara hacer ue el conjunto adopte una nue#a estructura, más densa% .a ener"!a de compactaci(n es otra #ariable del proceso ue implica "ran influencia sobre el mismo, no es fácil conocer el #alor exacto ue se está empleando en un momento dado, es fácil tanto en campo como en laboratorio modificarla o modo "radual% .a ener"!a puede cuantificarse en t$rminos absolutos, aunue en forma aproximada, en 5@: procesos de laboratorio ue son pruebas de impactos causados por la ca!da de un pis(n; la f(rmula esF Ee=
Nnwh V
D0"' 7
(
Kg−Cm 3
Cm
)
E es la ener"!a espec!fica, medida en unidades apropiadas en relaci(n con una unidad de #olumen de terreno al ue se está entre"ando la ener"!a%
N es el n'mero de "olpes del pis(n " n'mero de capas ue se dispone a llenar al molde% peso del pis(n compactador altura de ca!da del pis(n al causar los impactos 5 #olumen total del suelo compactado (R*+& +$#*& 19) N2-,& ' 7&# &, +$$. Esta diferencia se refiere al n'mero de "olpes por capa ue se le da a dicha
muestra en el molde por cada capa, estos moldes se #an rellenando
en o
más capas, se"'n nos indiue la norma para cada tipo de uso;
habr!a ue darle a dicho molde, con un pist(n estandari&ada y desde una altura ue no
#ar!e, para conse"uir una Gener"!a de compactaci(nG eui#alente a
la
utili&ada en el ensayo proctor con el ue obtu#imos la densidad máxima,
es
decir, si le damos @ "olpes GestándarG el molde deber!a conse"uir aproximadamente la densidad máxima indicada en el proctor% ASTM M*+& C&&-4*$ P, % C* ? 7&#. En la norma *S+M y en todas las normas americanas, el n'mero de
"olpes
no es totalmente fijo, se permite usar más o menos "olpes si #emos
ue no
conse"uimos alcan&ar la densidad máxima proctor, ue al fin y al
cabo es
el objeti#o final de darle todos estos "olpes%
El hinchamiento se determina sometiendo la muestra a un proceso de inmersi(n durante 9 d!as, aplicando una sobrecar"a eui#alente a la pre#isible en condiciones de uso de la carretera% Se efectuaran dos lecturas8 debidamente en suelos
una al inicio y otra al final del proceso empleando un tr!pode calibrado% El hinchamiento aduiere una especial importancia arcillosos o con alto contenido en finos, ya ue puede pro#ocar 8
asientos
diferenciales, ori"en de di#ersas patolo"!as en todo tipo de
construcciones% El ensayo de penetraci(n tiene como objeti#o determinar la capacidad portante del suelo, presentando una estructura similar al S/+ )S+*-D*RD /E-E+R*+>A- +ES+0 empleado en "eotecnia% Se basa en la aplicaci(n de
una presi(n creciente, efectuada mediante una presa a la ue #a acoplado un pist(n de secci(n anular, sobre una muestra de suelo compactada con humedad optima proctor% .a #elocidad de penetraci(n de la car"a tambi$n es normali&ada, debiendo ser de 5%
1.2. Convertir cargas en presiones Solo tenemos ue di#idir la car"a por el diámetro del pist(n usado para aplicar la car"a, ue aunue en la práctica son los mismos, se"'n las normas su diámetro #ar!a li"eramente )en teor!a, la superficie del pist(n ha de ser de 6 pul"adas cuadradas0F
1.3. Penetraciones “Objetivo” Ja tenemos unas car"as aplicadas con un pist(n de un cierto diámetro, es decir, presiones, pero necesitamos anotar la presi(n ue corresponde con unas ciertas deformaciones )o penetraciones0 del molde%
1.4. Presiones ideales Ja tenemos dos car"as )o presiones0 por cada molde, correspondientes a las penetraciones Gobjeti#oGF ahora podemos comparar nuestros moldes con
el Gcaso idealG, ya ue este Gcaso idealG #iene dado por las dos car"as 8o presiones8 necesarias para alcan&ar las dos penetraciones Gobjeti#oG en un molde con ese material GidealG%
1.5. Índice CBR de cada olde De las dos penetraciones Gobjeti#oG hemos obtenido dos car"as por molde, pero necesitamos un 'nico !ndice CBR para el molde% En teor!a habr!a ue con#ertir car"as a presiones, compararlas con las dos presiones ideales, obteniendo dos porcentajes, y finalmente uedarnos con uno de ellos% En la
práctica esto se resume en multiplicar las dos car"as por dos coeficientes 9
ue nos den directamente esos porcentajes, más un criterio para ele"ir uno
de los dos porcentajes ue hemos obtenido%
G,/*+$ ' '"#*'$'# "'*+ CBR na #e& se tienen los 6 moldes, disponemos de sus 6 densidades y sus tres
!ndices CBR, y tenemos ue representarlos en una "ráfica, ue se utili&a para determinar el !ndice CBR ue corresponder!a con la densidad Gobjeti#oG )densidad proctor K compactaci(n objeti#o0% /ues resulta ue al"unas normas piden expl!citamente situar las densidades en el eje L de esta "ráfica )*S+M, Colombia y M$xico0,
mientras
la -E pide hacerlo en el eje J%
.a -.+ no lo menciona, as! ue por GproximidadG a la -E se usa el eje J para las densidades, mientras ue la norma Chilena tampoco lo menciona, y por proximidad a la *S+M se utili&a el eje L%
EQUIPOS UTILI!ADOS EN EL ENSAYO
Molde C! IN"#$N#$NE%
Molde para compactación
10
C!
E"#$%& ' "'*+ ' CBR M$,*$# % 2*&# Euipo CBR )6 moldes cil!ndricos con placa base y collar de extencion,6 discos espaciadores, 6 placas de extensi(n, 6sobrecar"as cada una de 9%7 "% De peso y 6 tr!podes0 /is(n proctor modificado% Balan&a de precisi(n 5 "r% 6 diales de extensi(n% Estufa con control de temperatura% /robeta 5@@@ ml% Recipiente de "% De capacidad% Estufa +aras identificadas% Muestra alterada seca% /apel filtro%
P,&+'*-*"& Consta de 6 faces% a% Compactaci(n CBR )determinaci(n de la densidad y la humedad del suelo0% b% Ensayo de hinchamiento )determinaci(n delas propiedad expansi#as del material0 c% Ensayo de car"a )determinaci(n a la resistencia a la penetraci(n0
$)C&-$+$+*0" CBR. /reparar la muestra con el contenido (ptimo de humedad determinado
en el ensayo de compactaci(n proctor modificado% Compactar la muestra en 7 capas en cada uno de los 6 moldes CBR el primero con 56, el se"undo con < y el tercero con 7 "olpes por capa,
para nuestro ensayo se"'n norma *S+M% Determinar la densidad h'meda y el contenido de humedad de las
muestras de cada molde% Determinar la densidad seca de las muestras de cada molde% 4) E"#$%& ' *"+$-*"&.
11
>n#ertir la muestra de tal manera ue la superficie libre uede en la parte superior cuando se ensambla nue#amente los moldes con su
placa base% Colocar sobre cada muestra el papel filtro, la placa de expansi(n, la
sobrecar"a, el tr!pode y el dial de expansi(n% Colocar los 6 moldes debidamente euipados en un tanue de a"ua durante cuatro d!as ) horas0 y re"istrar las lecturas de expansi(n
cada 9 horas% +) E"#$%& ' +$,7$ ' ",$+*0" Despu$s de 9 d!as sacar los moldes del tanue y de cada una de ellas retirar el dial, tr!pode, sobrecar"a y placa de expansi(n, dejarlos drenar
57 minutos% Colocar la sobrecar"a en el molde, lle#ar a la prensa hidráulica, proceder a reali&ar el ensayo de penetraci(n, aplicando el pis(n a una #elocidad de @%@7 pul"Imin% Re"istrar las lecturas de car"a de cada
muestra en las si"uientes lecturas de penetraci(n% Determinar la densidad h'meda y contenido de humedad de las
muestras de cada molde% Calcular el esfuer&o aplicado correspondiente a cada capa% Dibujar las 6 cur#as de esfuer&o8deformaci(n correspondientes a las muestra de cada molde, en escala natural, los #alores de deformaci(n se re"istran en el eje de las abscisas y el esfuer&o en el eje de las
ordenadas% Si es necesario se corri"en las cur#as dando nue#o ori"en% Determinar los esfuer&os para @%5N y @%N de deformaci(n de cada uno
de los esfuer&os8deformaci(n% Determinar el !ndice CBR para @%5N y @%N de penetraci(n, los cuales se obtienen di#idiendo cada #alor de esfuer&o correspondiente a @%5N y @%N
de la muestra ensayada% Dibujar densidad seca #ersus CBR correspondiente a @%5N y @%N de
penetraci(n% El !ndice CBR de dise1o es el #alor correspondiente a @%5N y @%N de
penetraci(n expresado en porcentaje con su respecti#o #alor estándar% El -O CBR, se basa en la relaci(n car"a para una penetraci(n %7 mm% )@%5N0, sin embar"o, si el CBR para 7%@: mm% )@%N0, es mayor, dicho #alor se acepta como #alor final%
V,*/*+$+*0" ' +2-*-*"& ' &# ,#2$'&# &4"*'&# +&" $# "&,-$# ,#+*5$# 12
•
Se"'n
las
Especificaciones enerales para Construcci(n
de
Carreteras )E 8 @@@0, ue establecen ue, para ue un material pueda ser utili&ado como afirmado en un pa#imento, debe satisfacer la condici(n ue toma como reuisito, ue el CBR del material estudiado ten"a como m!nimo un 9@ P )M+C E 560 referido al 5@@P de la máxima densidad seca y una penetraci(n de car"a de @%5N ) %7 mm 0, obser#ando ue, se"'n los resultados obtenidos, el material usado, cumple con los reuisitos ue la norma impone% •
+omando como fuente, *S+M D5::6 y **S2+A +56, ue imponen una clasificaci(n de acuerdo a la altura de la cual fue tomada la muestra, reuieren ue, tanto para &onas mayores a los 6@@@ m%s%n%m como para &onas menores, en porcentaje CBR debe ser como m!nimo de 9@ P, referido al 5@@Pde la máxima densidad seca y una penetraci(n de car"a de @%5N )7mm0, identificando tambi$n, ue el material cumple con los reuisitos impuestos%
13
•
I",,$+*0" ' ,#2$'&# Se"'n los resultados obtenidos, e#idenciamos ue tanto para la norma *S+M
D5::6,
**S2+A
+56,
como
para
las
Especificaciones enerales para Construcci(n de Carreteras )E 8 @@@0 mediante la norma M+C E56, el material cumple con el porcentaje m!nimo reuerido para poder ser utili&ado como material en la ejecuci(n de una pa#imentaci(n, teniendo un #alor de CBR de :7%7P referido al 5@@P •
de la máxima densidad seca y una penetraci(n de car"a de @%5N )%7 mm 0% De acuerdo a los datos obtenidos por los ensayos se puede clasificar al material de acuerdo a la si"uiente tablaF
P CBR
Clasificaci(n eneral
@=6
Muy pobre
6=<
Muy pobre a re"ular
< = @
Re"ular
@ = 7@ Bueno 7@
•
Excelente
sos Sub rasante Sub rasante
S>S+EM* DE C.*S>>C*C>Q *S+M
**S2+A
A2,C2,M2,A.
*7, *,*<
A2,C2,M2,A.
*9,*7,*,*<
A.,C.,M.,SC,S *,*9,*,*< M,S/ Sub base M,C,S,SM, *85b,*87, y base S/,/ *86, *8 *5a,*89,*8 Base , M 6
Sub base
Se"'n la tabla y el resultado obtenido, podemos obser#ar ue el material ensayado es considerado como Excelente en la clasificaci(n "eneral, como , M para el *S+M y como *5a, *89,*86 para la clasificaci(n *SS+2A, y, puede ser utili&ado como material para sub8base y base%
CONCLUSIONES .o"ramos conocerF
El procedimiento correcto del ensayo de cbr%
Capacidad de soporte en materiales de mejoramiento%
Determinaci(n de la densidad y humedad%
Determinaci(n de las propiedades expansi#as del material
Determinaci(n de la resistencia a la penetraci(n%
RECOMENDACIONES
2acer calicatas de por lo menos los extremos más cr!ticos de para posible carretera en caso de pa#imentos o dependiendo a la necesidad%
+rabajar se"'n la norma y las indicaciones de M+C E 56 8 @@@ CBR de suelos
NORMATIVA ('! $$915*1999 (re+isaa el 201) -.#/- Métoo e ensayo e "B (elai3n e -o4orte e "aliornia) e suelos om4ataos en el la6oratorio)
15
