MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR EL VALOR SOPORTE CBR PARA UN SUELO COHESIVO INV. E-148-07
JEISON JAMIT JAMIT BULLA SILVA URIEL RODRÍGUEZ FONSECA JHON FREDY CALLEJAS PÉREZ MANUEL ALEJANDRO VARGAS AYALA
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE TRANSPORTE Y VÍAS PAVIMENTOS TUNJA 2008
LABORATORIO No. 5 MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR EL VALOR SOPORTE CBR PARA UN SUELO COHESIVO INV. E-148-07
JEISON JAMIT BULLA SILVA 1125479 URIEL RODRÍGUEZ FONSECA 981148 JHON FREDY CALLEJAS PÉREZ
1125523
MANUEL ALEJANDRO VARGAS AYALA 1125501
GRUPO No. 5
Profesor: Ing. CARLOS HERNANDO HIGUERA SANDOVAL MSc. Materia: PAVIMENTOS Monitor (a): GLORIA MARCELA NARANJO
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE TRANSPORTE Y VÍAS TUNJA 2008
[ENSAYO DE CBR PARA UN SUELO COHESIVO] [PAVIMENTOS] GRUPO No. 5
LABORATORIO No. 2 MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR EL VALOR SOPORTE CBR PARA UN SUELO COHESIVO INV. E-148-07
1. OBJETIVOS 1.1. GENERAL
Determinar la resistencia a la penetración de un suelo compactado bajo condiciones controladas de humedad y densidad y que se expresa como una relación de soporte porcentual entre la carga unitaria del suelo y la carga unitaria patrón de la piedra picada, establecida por la penetración a una misma profundidad de un pistón de penetración. 1.2. ESPECÍFICOS
Determinar los valores de humedad, densidad seca, y CBR para cada punto de las diferentes energías de compactación.
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2. MARCO DE REFERENCIA
2.1. ENSAYO C.B.R. El ensayo CBR (California Bearing Ratio) mide la carga necesaria para penetrar un pistón de dimensiones determinadas a una velocidad previamente fijada en una muestra compactada de suelo después de haberla sumergido en agua durante cuatro días y de haber medido su hinchamiento. El hecho de sumergir la muestra se debe a que así podemos prever la hipotética situación de acumulación de humedad en el suelo después de la construcción. Por tanto después de haber compactado el suelo y de haberlo sumergido, lo penetramos con un pistón el cual va conectado a un pequeño "plotter" que nos genera una gráfica donde se nos representa la carga respecto la profundidad a la que ha penetrado el pistón dentro de la muestra. Esta gráfica suele ser una curva con el tramo inicial recto y el tramo final cóncavo hacia abajo (si el tramo inicial no es recto se corrige). Una vez tenemos la gráfica miramos los valores de la carga que soportaba el suelo cuando el pistón se había hundido 2.5 mm y 5mm y los expresamos en tanto por ciento, tomando como índice CBR el mayor de los porcentajes calculados.
2.2. TIPOS DE C.B.R. C.B.R. suelos remoldeados. C.B.R. suelos inalterados. C.B.R. suelos gravosos y arenosos. C.B.R. suelos cohesivos poco o nada plásticos. C.B.R. suelos cohesivos plásticos. El experimento de suelos gravosos y arenosos se realiza inmediatamente en cambio en suelos cohesivos poco o nada plásticos y suelos cohesivos plásticos se realiza mediante expansión se efectuará con agua en 4 días saturación más desfavorable y la medida de expansión se realizar cada 24 horas. El ensayo permite obtener un número de la relación de soporte pero, de la aseveración anterior, es evidente que éste número no es constante para un suelo dado, sino que se aplica al estado en el cuál se encontraba el suelo durante el ensayo. De paso, es interesante comentar que el experimento puede hacerse en el terreno o en un suelo compactado. El número CBR (o simplemente CBR) se obtiene como la relación de la carga unitaria (en lbs/plg²) necesaria para lograr una cierta profundidad de penetración del pistón (con un área de 19.4 cm²) dentro de la muestra compactada de suelo a un contenido de humedad y densidad dadas con respecto a la carga unitaria patrón requerida para obtener la misma profundidad de penetración en una muestra estándar de material triturado. El C.B.R. varía de acuerdo a la compactación del suelo su contenido de humedad al compactar y cuando se realiza el ensayo. Página | 2
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Los ensayos del C.B.R. pueden ser realizados “In Sit u” usando el equipo correspondiente al laboratorio tanto en muestras inalteradas como en compactadas. Los ensayos “In situ” se realizan solamente en el suelo con el
contenido de humedad existente. Han sido pensados procedimientos para preparar la muestra de laboratorio de diferentes clases de suelos con el fin de reproducir las condiciones que verdaderamente se producirán durante y después de la construcción. Estos procedimientos se aplican cuando le contenido de humedad durante la construcción va a ser el óptimo para tener la máxima densidad, además el suelo va a ser compactado al menos al 95%. Si se utilizarían otros medios para controlar la compactación, los procedimientos deberían ser modificados de acuerdo a ellos.
2.3. ECUACIÓN DEL CBR
De ésta ecuación se puede ver que el CBR es un porcentaje de la carga unitaria patrón. Los valores de carga unitaria que deben utilizarse en la ecuación son los siguientes:
El CBR usualmente se basa en la relación de carga para una penetración de 2.5 mm. Sin embargo, si el valor de CBR a una penetración de 5.0 mm. es mayor el ensayo debería repetirse. Si un segundo ensayo, produce nuevamente un valor de CBR mayor de 5.0 mm. de penetración, dicho valor debe aceptarse como valor final del ensayo. Los ensayos de CBR se hacen usualmente sobre muestras compactadas al contenido de humedad óptima para el suelo específico determinado, utilizando el ensayo de compactación.
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Figura 1. Aparato para determinar el CBR Fuente: Instituto Nacional de Vías. Norma INV E-148-07
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3. EQUIPOS Y MATERIALES
Prensa utilizada para forzar la penetración de un pistón en el espécimen. La capacidad de la prensa y su sistema para la medida de carga debe ser de 44.5 kN (10000 Ibf) o más y la precisión mínima en la medida debe ser de 44 N (10 lbf) o menos.
Molde, de metal, cilíndrico, de 152,4mm ± 0.66 mm (6 ± 0.026") de diámetro 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. La base se deberá poder ajustar a cualquier extremo del molde.
Disco espaciador, de metal, de forma circular, de 150.8 mm (5 15/16”) de diámetro exterior y de 61,37 ± 0,127 mm (2,416 ± 0,005”) de espesor , para insertarlo como falso fondo en el molde
cilíndrico durante la compactación.
Pisón de compactación como el descrito en el ensayo Proctor Modificado.
Aparato medidor de expansión compuesto por:
Una placa de metal perforada, por cada molde, de 149.2 mm (5 7/8") de diámetro, cuyas perforaciones no excedan de 1,6 mm (1/16") de diámetro. Estará provista de un vástago en el centro con 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, de forma que permita controlar la posición de éste y medir la expansión, con aproximación de 0.025 mm (0.001").
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 deberán tener 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 se cción transversal circular, de 49.63 ± 0,13 mm (1,954 ± 0,005”) de diámetro, área de 19.35 cm 2 (3 pulg2) y con longitud necesaria para realizar el ensayo de penetración con las sobrecargas precisas, pero nunca menor de 101.6 mm (4").
Dos diales con recorrido mínimo de 25 mm (1") y divisiones lecturas en 0.025 mm (0.001"), uno de ellos provisto de una pieza que permita su acoplamiento en la prensa para medir la penetración del pistón en la muestra. Página | 5
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Una Poza, con capacidad suficiente para la inmersión de los moldes en agua.
Horno de secado o estufa capaz de mantener una temperatura de 110 ± 5ºC (230 ± 9 ºF).
Balanzas, una de 20 kg de capacidad y otra de 1000 g con sensibilidades de 1g y 0.1g, respectivamente.
Tamices, de 4.76 mm (No. 4) y 19.05 mm (3/4").
Varios, de uso general como cuarteador, mezclador, cápsulas, probetas, espátulas, papel de filtro del diámetro del molde, etc.
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4. PROCEDIMIENTO
1. Se preparó una muestra de suelo de grano fino (en cantidad suficiente para hacer 12 probetas) menor que el tamiz # 4, al contenido de humedad óptima del suelo determinado con el ensayo de Proctor Modificado. 2. Antes de compactar el suelo en los moldes, se tomó una muestra representativa para determinar su contenido de humedad (por lo menos 100 g). 3. Se pesaron los moldes sin su base ni el collar. 4. Para cada molde se ajustó el molde a la base, insertando el disco espaciador en el molde y cubriéndolo con un disco de papel filtro. 5. Se fabricaron 12 probetas de 5 capas cada una: 4 de 12 golpes por capa, 4 de 26 golpes por capa y 4 de 56 golpes por capa. 6. Para cada molde se retiró la base, el collar y el disco espaciador, se pesó el molde con el suelo compactado y se determinó el peso unitario total del suelo. 7. Se colocó un disco de papel filtro sobre la base, invirtiendo la muestra y asegurando el molde a la base de forma que el suelo quedara en contacto con el papel filtro. 8. Se colocó la placa perforada con el vástago ajustable sobre el suelo compactado y se aplicaron suficientes pesas para obtener la sobrecarga deseada, cuidando que no fuera inferior a 4.5 kg. Se aseguró de usar un disco de papel filtro entre la base perforada del vástago y el suelo para evitar que el suelo se pegara a la base del vástago. 9. Se sumergieron el molde y las pesas en un recipiente de agua de forma que el agua tuviera acceso tanto a la parte superior como a la parte inferior de la muestra y se ajustó el deformímetro (con lecturas al 0.01 mm) en su respectivo soporte; marcando sobre el molde los puntos donde se apoyaba el soporte de forma que pudiera removerse y volviendo a colocarlo sobre el molde en el mismo sitio cuando se deseara hacer una lectura. 10. Se ajustó el cero del deformímetro de expansión y se registró el tiempo de comienzo del ensayo. Se tomaron las lecturas a 0, 1, 2, 4, 8, 12, 24, 36, 48, 72 y 96 horas de tiempo transcurrido; el ensayo de expansión pudo terminarse después de 48 horas si las lecturas en el deformímetro de expansión se mantenían constantes por lo menos durante 24 horas.
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11. Al final de las 96 horas de inmersión, se sacó la muestra y se dejó drenar por espacio de 15 min; se secó completamente la superficie superior de la muestra con toallas de papel. 12. Se pesó la muestra sumergida incluyendo el molde. 13. Se tomaron muestras para contenido de humedad de las muestras saturadas de la siguiente forma: 2 dentro de los 3 cm superiores del suelo. 2 dentro de los 3 cm inferiores del suelo. 2 en el centro de la muestra de suelo.
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5. DATOS OBTENIDOS Y CÁLCULOS
5.1. TABLAS DE DATOS DEL ENSAYO CBR
12 GOLPES
26 GOLPES
56 GOLPES
Humedad 12,28 15,33 18,75 22,71 10,01 14,87 17,20 19,94 11,2 14,08 16,98 20,15
Densidad Seca 1,60 1,71 1,75 1,58 1,65 1,81 1,71 1,58 1,67 1,83 1,84 1,68
12 GOLPES
26 GOLPES
56 GOLPES
Humedad 12,54 15,43 18,50 22,87 9,43 14,34 17,56 21,30 11,43 14,67 16,54 21,34
CBR 1,51 6,80 5,16 0,64 2,70 8,30 7,90 4,60 4,42 14,64 4,63 1,09
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5.2. CURVAS DE COMPACTACIÓN Curva de Compactación 12 Golpes 1,76 γdmáx=1,75
1,72
) ³ m c / r 1,68 g ( d γ
, a c e S d a d i s n e D
1,64 1,60 1,56
Wópt=17,45%
1,52 10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
20,00
22,00
24,00
Humedad, W (%)
Curva de Compactación 26 Golpes 1,82 γdmáx=1,79
1,77
) ³ m c / r 1,72 g ( d γ
, a c e S d a d i s n e D
1,67 1,62 1,57
Wópt=14,38% 1,52 9,00
11,00
13,00
15,00
17,00
19,00
21,00
Humedad, W (%)
Curva de Compactación 56 Golpes 1,87 γdmáx=1,85
) ³ 1,82 m c / r g ( d 1,77 γ
, a c e S d a d i s n e D
1,72
1,67
Wópt=15,74% 1,62 10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
20,00
Humedad, W (%)
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5.3. GRÁFICAS
5.4. CÁLCULO DE LA HUMEDAD Y DENSIDAD DE EQUILIBRIO POR EL MÉTODO DEL INVIAS. LL = 29,8% LP = 13,9% GS = 2, 75
̅ ̅ ̅̅ ( ) Página | 3
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( )( ) ()() 5.5. CÁLCULO DE LA HUMEDAD Y DENSIDAD DE EQUILIBRIO POR EL MÉTODO DE LOS INGENIEROS ARGENTINOS RUIZ Y SANTÁNGELO
̅ ̅ ̅̅ Página | 4
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( ) ( )( ) ()() 5.6. CÁLCULO DE LA HUMEDAD Y DENSIDAD DE EQUILIBRIO POR EL MÉTODO DE CHESTER McDOWELL
El método parte de la información obtenida del método INV. E-146-07 y del método de los Ing. Argentinos Ruiz y Santángelo.
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En la curva de compactación, pasando una paralela a la curva de saturación s=100%, por el γdmáx y entrando con la densidad de equilibrio De=1,79gr/cm3, hasta cortar la curva paralela a la curva de saturación y se obtiene la humedad de equilibrio He= ¿??
Curva de Compactación 1,89 1,86 ) ³ 1,83 m c / r 1,80 g ( d γ
, a c e S d a d i s n e D
γdmáx=1,85
De=1,79
1,77 1,74 1,71 1,68 1,65
10,00
He=17,64%
Wópt=15,74%
1,62 12,00
14,00
16,00
18,00
20,00
22,00
Humedad, W (%)
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6. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
De acuerdo al ensayo de compactación se puede decir que al obtener una densidad seca máxima de 1.897 gr/cm , se va disminuyendo la relación de vacíos hasta encontrar el punto óptimo y proporcionalmente con la porosidad, dándose de esta manera las relaciones esperadas para un ensayo de proctor modificado. ³
Con la gráfica podemos evidenciar la relación entre la humedad y la densidad seca puesto que al incrementarse la humedad se incrementa la densidad, fenómeno que se presenta hasta cierto punto máximo de densidad seca, de este punto en adelante se presenta una relación inversa pues un incremento de humedad trae consigo una disminución de la densidad seca. En cuanto a la relación entre humedad y relación de vacios se puede afirmar que en la medida en que la humedad aumenta se reduce la relación de vacios del suelo hasta el punto en que se encuentra la humedad óptima de compactación. De este punto en adelante el fenómeno se presenta de manera inversa puesto que a medida que aumenta la humedad, la relación de vacios se hace mayor. Al obtener la relación humedad - porosidad es preciso decir que la porosidad se reduce en la medida en que aumenta la humedad hasta el punto de humedad óptima de compactación, pues de este punto en adelante al incrementarse la humedad la porosidad aumenta de igual manera. Las curvas de saturación para los diferentes porcentajes representan la densidad seca del suelo en estado de saturación. Esto equivale a que los vacios, estén totalmente ocupados por agua.
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CONCLUSIONES
Con esta prueba se obtiene la humedad óptima de compactación así como, el peso específico seco máximo, con la finalidad de obtener una muy buena compactación en campo si se reproducen las condiciones en las que se realiza la práctica en el laboratorio; ofrece resultados confiables que si realmente se cumplen en campo se pueden obtener resultados satisfactorios.
Con la compactación variamos la estructura del suelo y algunas de sus características mecánicas. Algunos de los parámetros que varían con la compactación son: permeabilidad, peso específico y resistencia al corte. A través de la compactación buscamos las propiedades adecuadas para el suelo, así como una buena homogenización.
Es comprobado que el suelo se compacta a la medida en que aumenta su humedad, la densidad seca va aumentando hasta llegar a un punto máximo, cuya humedad es la óptima. A partir de este punto, cualquier aumento de humedad no supone mayor densidad seca a no ser, por lo contrario, uno reducción de esta.
Con la realización de la prueba de compactación, se logra aumentar la resistencia al corte, y por consiguiente, mejorar la estabilidad, de terraplenes y la capacidad de carga en los pavimentos.
Al disminuir la relación de vacíos, se logra con esto, también, reducir la permeabilidad.
Con esta prueba se obtiene la humedad óptima de compactación así como, el peso específico seco máximo, con la finalidad de obtener una muy buena compactación en campo si se reproducen las condiciones en las que se realiza la práctica en el laboratorio; ofrece resultados confiables que si realmente se cumplen en campo se pueden obtener resultados satisfactorios.
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BIBLIOGRAFÍA
HIGUERA SANDOVAL, Carlos Hernando. Nociones sobre métodos de diseño de estructuras de pavimentos para carreteras. Escuela de Transporte y Vías. Facultad Ingeniería. UPTC.
RAMÍREZ, Oscar. Apuntes de clase de Geotecnia Básica. Ed. Tunja: UPTC. 2001.
BADILLO Juárez y RODRÍGUEZ Rico. Mecánica de Suelos Fundamentos. Editorial Limusa. México. 1977.
INVIAS. Normas de Ensayos de Laboratorio. Norma INV. E-142-07. 2006. INFOGRAFÍA
www.unalmed.edu.co/~geotecni/GG-17.pdf
www.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/mecanica6.htm
www.geocities.com/geotecniaysuelos/cap14.pdf
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TABLA DE CONTENIDO
1.
2.
OBJETIVOS................................................................................................................................................1 1.1.
GENERAL ..........................................................................................................................................1
1.2.
ESPECÍFICOS...................................................................................................................................1
MARCO DE REFERENCIA ........................................................................................................................2 2.1.
COMPACTACIÓN.............................................................................. Error! Bookmark not defined.
2.2.
BENEFICIOS DE LA COMPACTACIÓN............................................ Error! Bookmark not defined.
3.
EQUIPOS Y MATERIALES ........................................................................................................................5
4.
PROCEDIMIENTO .....................................................................................................................................1
5.
DATOS OBTENIDOS Y CÁLCULOS..........................................................................................................1
6.
5.1.
INFORMACIÓN DEL ENSAYO DE COMPACTACIÓN ..................... Error! Bookmark not defined.
5.2.
CURVA DE COMPACTACIÓN ..........................................................................................................2
5.3.
GRÁFICAS.........................................................................................................................................3
5.4.
RESUMEN DE RESULTADOS .......................................................... Error! Bookmark not defined.
5.5.
RESULTADOS PUNTO ÓPTIMO ...................................................... Error! Bookmark not defined.
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ............................................................................................................7
CONCLUSIONES................................................................................................................................................8 BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................................................................9 INFOGRAFÍA.......................................................................................................................................................9
