UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE BOGOTÁ FACULTAD DE INGENIERÍA. DEPARTAMENTO DE INGENEIRIA CIVIL Y AGRICOLA SECCION ACADÉMICA DE GEOTECNIA
PAVIMENTOS AVANZADOS. INFOR ME DE LABORATORIO INFORME LABORATO RIO N°2
DETERMINACIÓN DE LA RELACIÓN DE SOPORTE CALIFORNIA - CBR PARA MUESTRAS DE SUELO REMOLDEADAS.
Jonathan Mauricio Feria Casas (214962), Andrés Felipe García Ávila (), José Joaquín Lozano Rada (215310), Rodrigo Adolfo Gutiérrez (215320).
RESUMEN. La relación de soporte California (CBR) es convencionalmente un indicador confiable sobre la resistencia al corte de los materiales pétreos que conforman una estructura de pavimento, esta relación se obtiene por medio de un ensayo de penetración sobre muestras muestras representativas compactadas compactadas y se expresa como un porcentaje de los esfuerzos obtenidos obtenidos respecto a unos valores estándar para ciertos alcances de penetración, éstos valores estándar corresponden a un suelo de buena capacidad portante característico de una zona de california (EE.UU). Una de las ventajas que ofrece este ensayo y que lo ha ratificado como indispensable en las labores de exploración es su simplicidad de ejecución y de interpretación; en contraste la gran desventaja es que estas interpretaciones son empíricas y en consecuencia el CBR como parámetro de diseño no se considera de forma directa, así, por ejemplo, para la valoración de subrasantes se emplean parámetros como el módulo resiliente MR, y el módulo de reacción K, los cuales se pueden obtener a partir de correlaciones empíricas con el CBR. Gracias a la extensa manipulación de este indicador en diferentes investigaciones, investigaciones, el CBR puede llegar a correlacionarse con características índice del suelo como la clasificación, Límites y gradaciones, entre otros, lo que lo hace sumamente útil bajo las limitaciones de las correlaciones mismas. mismas. En Colombia, el CBR es un parámetro parámetro de gran importancia como como criterio para la aceptación de diferentes materiales de construcción de infraestructura vial, su obtención en laboratorio esta estandarizada mediante la norma INV E-148/13. Este informe presenta una descripción descripción de los procedimientos procedimientos de de laboratorio desarrollados, desarrollados, el procesamiento procesamiento de la información obtenida y los resultados generados a partir partir del ensayo de CBR aplicado a una muestra muestra de suelo suministrada de acuerdo a la Norma INV E - 148, junto al análisis respectivo y la valoración del material en el contexto del del diseño de una estructura de pavimento. Palabras Clave: caracterización de suelos, Resistencia al corte,
el módulo de reacción K, diseño de estructuras de pavimento.
relación de soporte California (CBR), módulo resiliente MR,
ABSTRACT. The California bearing ratio (CBR) is conventionally a reliable indicator of the shear strength of soil´s materials that make part of a pavement structure, this relationship is obtained by a penetration test on representative compacted samples and is expressed as a percentage of the efforts obtained regarding to standard values for certain index of penetration, these standard values correspond to soils with good bearing capacity of an a n area of California (USA). One of the advantages of this test and who has been ratified as essential in the exploration work is its simplicity of implementation and interpretation; as opposed, the big disadvantage is that these interpretations are empirical and therefore the CBR as design parameter is not considered directly, so, for example, for the evaluation of subgrade are used parameters such as resilient modulus MR and the reaction modulus K, which can c an be derived from empirical correlations with CBR. Because of the extensive manipulation of this indicator in different investigations, the CBR can be correlated with soil characteristics such as classification, limits and gradations, among others, making it very useful under the limitations of the correlations themselves. In Colombia, the CBR is a very important parameter as the criterion for acceptance of different materials of construction of road infrastructure; its laboratory obtaining is standardized by standard INV E-148/13. This report presents a description of the procedures developed in laboratory, the processing of the obtained information and the results generated from the CBR test applied to a soil sample provided in accordance ac cordance with INV E – 148 standards, next to the respective analysis and the evaluation of the material in the context of the design of a pavement structure. Soil characterization, characterization, Shear strength, strength, California Bearing Bearing ratio (CBR), (CBR), Resilient modulus modulus MR, Reaction modulus K, pavement design.
Keys words:
I. INTRODUCCIÓN. Dentro del ámbito de la ingeniería de carreteras, es necesario establecer indicadores de comportamiento, especialmente de resistencia para los materiales que conforman la estructura de un pavimento sometidos a las solicitaciones inherentes a su uso. Uno de los indicadores más importantes para la caracterización de estos materiales es la relación de soporte de California CBR, pues permite simular las características de compactación, humedad y carga a la que estará expuesto el material durante su servicio para determinar su resistencia al corte. La determinación de esta relación de soporte se realiza mediante un ensayo de penetración que se puede ejecutar en laboratorio o in situ, el objetivo es obtener la curva característica de esfuerzo-penetración para la muestra, de esta forma se pueden asociar los esfuerzos a ciertos valores de penetración (1” y 2”) y reportarlos como porcentaje de los valores de esfuerzo obtenidos en una muestra estándar (suelo de California). La metodología de ensayo de CBR fue inicialmente realizada por la división de carreteras de California alrededor de 1928, como resultado de diferentes investigaciones de exploración del subsuelo para el diseño de pavimentos, luego fue adoptado y modificado por el cuerpo de ingenieros de los Estados Unidos en la década de 1940 con aplicaciones en el diseño de pistas de aeropuertos y autopistas.
El ensayo de CBR debería realizase para diferentes rangos de humedad y diferentes niveles de compactación, sin embargo resulta aceptable en términos prácticos ejecutarlo para una muestra en condiciones óptimas de humedaddensidad de acuerdo al ensayo de Proctor. El proceso de penetración y falla de la muestra puede realizarse en condición sumergida (tras 4dias), lo cual se sugiere para simular la condición más crítica del suelo (total saturación), y poder identificar adicionalmente comportamiento expansivo del material, lo cual puede resultar determinante como criterio de aceptación del mismo como componente estructural de la obra vial. El CBR es un indicador confiable para establecer la necesidad de ejecutar obras de estabilización de subrasantes, también para calificar el comportamiento mecánico de una base o subbase granular y para establecer otras propiedades de los materiales pétreos mediante correlaciones empíricas derivadas de procesos de investigación. En este documento, se socializará el procedimiento empleado para la determinación de la relación de soporte California CBR de una muestra asignada de suelo, así como los cálculos y los análisis correspondientes de acuerdo al fundamento teórico indicado, la normativa y las especificaciones vigentes. Se espera determinar la aptitud del suelo como material de construcción de estructuras de pavimento.
II. JUSTIFICACION. •
•
Práctica de carácter académico y pedagógico, para el curso pavimentos avanzados, bajo la dirección de la Ing. PhD. Carol Andrea Murillo Feo, docente de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia. Se decide evaluar la conveniencia de la utilización de un material pétreo dentro de las capas de cuerpo de una estructura de pavimento o como posible subrasante, mediante la determinación de su CBR y su comparación respecto a las especificaciones técnicas de materiales para Bogotá IDU ET-2005.
III. OBJETIVOS. •
•
•
Determinar la relación de soporte california CBR en muestras de suelo remoldeadas mediante la aplicación del ensayo correspondiente estandarizado en las norma INV E-148/13. Mediante las correlaciones empíricas convencionales establecer características del material tales como, clasificación índices y módulos. Analizar los resultados de las pruebas y asociarlos a los indicadores correspondientes con el fin de establecer si cumplen con las especificaciones requeridas para su utilización como material en la estructura de un pavimento, conforme a las normas IDU ET-2005
IV. MARCO TEÓRICO. (tratadas o no) de acuerdo a las especificaciones dadas en cada país
Origen del ensayo. Este método fue propuesto en 1929 por los ingenieros T. E. Stanton y O. J. Porter del departamento de carreteras de California. Desde esa fecha tanto en Europa como en América, el método CBR se ha generalizado y es una forma de clasificación de un suelo para ser utilizado como subrasante o material de base en la construcción de carreteras. Durante la segunda guerra mundial, el cuerpo de ingenieros de los Estados Unidos adoptó este ensayo para utilizarlo en la construcción de aeropuertos.
Definición de C.B.R. La relación de soporte de california, es la carga unitaria correspondiente penetración, expresada como respectivo valor obtenido para una (suelo california). C.B.R =
CBR de un suelo a 0.1” ó 0.2” de porcentaje del muestra estándar
ó.
También mide la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controlada. El ensayo permite obtener un número de la relación de soporte, que no es constante para un suelo dado sino que se aplica solo al estado de esfuerzos en el cual se encontraba el suelo durante el ensayo.
Generalidades del ensayo. La determinación de la relación de soporte CBR se realiza mediante el correspondiente ensayo estandarizado bajo la norma 1NV E-148. El procedimiento consecutivos de penetración y falla.
consiste en los procesos hinchamiento (inmersión),
El hinchamiento se mide mediante la inmersión de la muestra en agua durante 4 días y su estimación toma especial importancia para predecir asentamientos diferenciales sobretodo en materiales con alto contenido de finos. La penetración tiene por objetivo determinar la capacidad portante del suelo, aplicando sobre la muestra una presión creciente con una prensa de velocidad controlada. De acuerdo a esto, se puede calcular el valor de CBR como la relación porcentual entre los esfuerzos de la muestra de estudio y los de la muestra patrón para cierto nivel de penetración de acuerdo a los mostrados en la tabla 1.
Interpretación del valor C.B.R. El valor de CBR, es un parámetro de resistencia que se ha utilizado para caracterizar el comportamiento esfuerzo-deformación de un material pétreo ante unas condiciones conocidas de humedad y compactación para determinar su capacidad portante. En el desarrollo de diferentes investigaciones se han establecido correlaciones a partir de las propiedades índice de los materiales y el CBR; en el contexto del diseño de pavimentos, destacan las correlaciones del CBR con el tipo de suelo, el módulo resiliente MR y el módulo de reacción K en subrasantes como se muestra en los diagramas anexos. Asi, resulta posible a partir del valor de CBR obtener buenas aproximaciones de las propiedades mencionadas sin que estas reemplacen las mediciones directas de las mismas cuando resulte posible su realización, pues estas correlaciones pueden ajustarse o no al contexto geotécnico de estudio e interferir en las decisiones de diseño. El CBR es en sí mismo un criterio de aceptación de los materiales para construcción de infraestructura vial, los valores de rechazo varían para bases y subbases
Tabla 1. Valores M. patrón.
La relación C.B.R. generalmente se determina para 0.1” y 0.2” de penetración, que corresponden a esfuerzos patrón de 1000 y 1500 PSI respectivamente. El comportamiento de los suelos en el ensayo varía de acuerdo al grado de alteración de la muestra, su granulometría y sus características físicas (granulares, finos, poco plásticos). Asi se puede tipificar el ensayo de la siguiente manera: A.
Determinación del CBR de suelos perturbados y remoldados: - Gravas y arenas sin cohesión - Suelos cohesivos, poco plásticos y poco o nada expansivos - Suelos cohesivos y expansivos.
B. C.
Determinación del CBR de suelos inalterados. Determinación del CBR in situ.
V. METODOLOGIA. 5.1. CARACTERIZACIÓN VISUAL DEL MATERIAL. Material granular color habano amarillento sin sobretamaños, no plástico, con presencia de finos, sin olor característico ni cohesión al tacto.
5.2. MONTAJE EXPERIMENTAL. MATERIALES. -
Tamices de ¾” y #4 Probeta graduada en ml 3 moldes para compactación normalizados (con base y falso fondo) Martillo de compactación de 10lb Papel filtro. Sobrecargas Balanzas Recipientes para toma de humedad Horno.
EQUIPOS -
Taque de inmersión. Deformímetro de caratula con trípode Placa metálica perforada con mango Prensa hidráulica Cronometro
Fig 1. Equipo de ensayo para CBR
5.3. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO. -
Se preparan 12 kg para el ensayo (6 kg por cada molde / 2 moldes) con material pasa ¾”, el material retenido en ¾” debe reemplazarse con su peso en material pasa #4. Habiéndose medido previamente la humedad natural, se agrega agua a las muestras de forma que se alcance la humedad óptima de acuerdo al ensayo de proctor. Se toma humedad para verificación. Se preparara el molde colocándole el collar de extensión, la base, el falso fondo y el papel filtro. Se compactan con el martillo dentro de los moldes las dos muestras haciendo 5 capas de 10 y 56 golpes respectivamente. Se retira el collar de extensión, se enrasa el molde y se gira, quedando el falso fondo en la parte superior para retirarlo. Sobre la muestra compactada se coloca papel filtro y sobre este la placa perforada con el mango. Se disponen sobre la placa las sobrecargas de acuerdo al espesor supuesto de estructura. Se realiza la primera lectura para expansión, apoyando el Deformímetro sobre el mango de la placa metálica y el trípode en el borde del molde Se sumergen en el tanque los moldes durante 4 días y se mide la expansión de ser posible cada 24hrs. Pasados los 4 días, se saca la muestra del tanque y se lleva a falla en la prensa hidráulica a una velocidad de penetración controlada de 0,05”/min. Una vez la muestra se falla, se toman muestras para humedad.
VI. PROCESAMIENTO DE DATOS. 6.1. RESULTADOS. Se reportan los resultados para los procesos de inmersión y falla de 3 muestras compactadas a 10, 25 y 56 golpes, este grupo de trabajo, estuvo a cargo de los procesos de 10 y 56 golpes, la información de la muestra restante fue suministrada por otro grupo de trabajo.
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ENSAYO PARA DETERMINACION DE CBR
SECCION ACADEMICA DE GEOTECNIA
INV - E 148
LABORATORIO DE GEOTECNIA
METODO SUMERGIDO
FORMATO PARA REGISTRO DE DATOS
PROYECTO:_PAVIMENTOS__AVANZADOS___________________________ FECHA:____________________________ LOCALIZACION:________________________________________________ MUESTRA:_10 GOLPES ________________ DESCRIPCION: Material granular !n "re#enia $e %in!# !l!r &a'an! a(arillent! ) U* Nai!nal____________________ CARACTERISTICAS INICIALES DE LA MUESTRA Di+(etr!# $e la (ue#tra ,(altura $e la (ue#tra ,(.!lu(en $e la (ue#tra ,(/.!lu(en "r!(e$i! ,(/-
15.329 11.648
15.385 11.72
15.303 11.637
2149.656
2178.776 2156.259
2140.346
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10 7592 9272 12041 1.284
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78
HUMEDAD AL FINAL DE FALLA
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1000 1500 1900 2300 2600
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6 30 60 90 120 180 240 300 360 480 600
0.5 4 12 18 26 44 58 73 91 123 153
OSERVACIONES ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________
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METODO SUMERGIDO
FORMATO PARA REGISTRO DE DATOS
PROYECTO:_PAVIMENTOS_AVANZADOS_____________________________ FECHA:____________________________ LOCALIZACION:_________________________________________________ MUESTRA:_25 GOLPES ________________ DESCRIPCION: Material granular !n "re#enia $e %in!# !l!r &a'an! a(arillent! ) U* Nai!nal______________________ CARACTERISTICAS INICIALES DE LA MUESTRA ;*7 ;*/ Di+(etr!# $e la (ue#tra ,(;;*/? ;;*;; altura $e la (ue#tra ,(?;<*? ?<7?*? .!lu(en $e la (ue#tra ,(/?<B*;B .!lu(en "r!(e$i! ,(/-
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35 7584.8 9179.3 12301
1.480
1.503
12 de Septiembre /14 13 de Septiembre /14 15 de Septiembre /14 16 de Septiembre /14
08:40 08:45 13:00 08:35
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FECHA 2HORA
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0 4 20 50 81 134 180 219 248 318 364
OSERVACIONES ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________
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INV - E 148
LABORATORIO DE GEOTECNIA
METODO SUMERGIDO
FORMATO PARA REGISTRO DE DATOS
PROYECTO:_PAVIMENTOS AVANZADOS______________________________ FECHA:_____________________________ LOCALIZACION:_________________________________________________ MUESTRA:_ GOLPES ________________ DESCRIPCION: Material granular !n "re#enia $e %in!# !l!r a'an! a(arillent! ) U* Nai!nal_______________________ CARACTERISTICAS INICIALES DE LA MUESTRA Di+(etr!# $e la (ue#tra ,(altura $e la (ue#tra ,(.!lu(en $e la (ue#tra ,(/.!lu(en "r!(e$i! ,(/-
15.329 11.635 2147.256
15.385 11.707 2176.359 2153.86
15.303 11.624 2137.955
CONDICIONES DE COMPACTACION Pe#! $el (artill! ,l'altura $e a1$a ,innu(er! $e g!l"e# 2nu( $e a"a#
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8.581291576
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44 7077 8787 12073 1.526
E=PANSION FECHA 2HORA
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HUMEDAD AL FINAL DE FALLA
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11% 12 59.6 265.6
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244 11.7%
PROCESO DE FALLA CON INMERSION LECTURA DEFORMIMETRO ,= ;<)/ in-
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6 30 60 90 120 180 240 300 360 480 600
2 22 67 105 139 185 229 290 344 467 562
OSERVACIONES ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________
6.2. ANÁLISIS DE RESULTADOS. Curvas de compactación. Datos del equipo: Ecuación del anillo: P(Lb)=9.916x, siendo x la lectura del Deformímetro. Área del pistón: 1.95 in2 Velocidad de penetración: 0.05”/min.
ETAPA DE FALLA - INMERSION 4 DIAS COMPACTACION A 10 GOLPES penetración (in)
0.005 0.025 0.05 0.075 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4 0.5 penetracion (in)
0.005 0.025 0.05 0.075 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4 0.5 penetracion (in)
0.005 0.025 0.05 0.075 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4 0.5
Esfuerzo estándar (lb/in^2)
Tiempo
lectura anillo
6 0.5 30 4 60 12 90 18 1000 120 26 180 44 1500 240 58 300 73 1900 360 91 2300 480 123 2600 600 153 COMPACTACION A 25 GOLPES Esfuerzo estándar (lb/in^2)
Tiempo
lectura anillo
18 0 39 4 63 20 95 50 1000 119 81 180 134 1500 237 180 301 219 1900 360 248 2300 482 318 2600 595 364 COMPACTACION A 56 GOLPES Esfuerzo estandar (lb/in^2)
1000 1500 1900 2300 2600
Esf. P/A (lb/in2)
2.55 20.36 61.09 91.64 132.36 224.00 295.27 371.64 463.27 626.18 778.91 Esf. P/A (lb/in2)
0.00 20.36 101.82 254.54 412.36 682.18 916.36 1114.91 1262.54 1618.90 1853.09
Tiempo
lectura anillo
Presion (lb/in2)
6 30 60 90 120 180 240 300 360 480 600
2 22 67 105 139 185 229 290 344 467 562
10.18 112.00 341.09 534.54 707.63 941.82 1165.81 1476.36 1751.27 2377.45 2861.08
Determinación del CBR para cada nivel de compactación. Esf patrón 10 golpes 25 golpes 56 golpes PSI Esf PSI CBR Esf PSI CBR Esf PSI CBR 0.1” 1000 130 13% 560 56% 800 80% 0.2” 1500 300 20% 1040 69% 1260 84% CBR 20%* 69%* 84%* *Se recomienda repetir las pruebas, teniendo en cuenta que mayor relación se obtuvo para la penetracion de 0.2”
Penetracion
Curvas de correlación densidad seca – CBR y #golpes - CBR. A partir de la expresión:
∗ 100 se calcula la densidad seca para cada caso de compactación, entonces:
#golpes
CBR
humedad (%)
Dhum (g/cm3)
Dseca (g/cm3)
10 golpes 25 golpes 56 golpes
20% 69% 84%
10.8 14 11.7
1.284 1.480 1.526
1.156 1.29 1.36
Con la tabla anterior se proceden a realizar los gráficos de correlación:
Grafico #golpes Vs. Densidad seca.
Grafico #golpes Vs. CBR.
Grafico densidad seca Vs. CBR
Como no se conoce la densidad seca óptima obtenida del ensayo de Proctor, se asume que este valor se relaciona a la densidad seca a 25 golpes; siendo así se tienen los siguientes datos para el punto óptimo de compactación:
Punto óptimo de compactación: 11% 1.29 g/cm2 25 69% 10.95 lb*cm/cm3
HUMEDAD DENSIDAD SECA #GOLPES CBR ENERGIA DE COMPACTACION
Índice de expansión. El índice de expansión se calcula mediante la siguiente expresión, tomada de la norma INV E-148: !"#$%&'%
# de golpes 10 25 56
Lectura dia 1° 470x10-3 495x10-3 470x10-3
() * ( 11+.,-
Lectura dia 4° 438x10-3 467x10-3 451x10-3
∗ 100
diferencial -0.032 -0.028 -0.019
Índice de expansión -0.027 ~ 0 -0.024 ~ 0 -0.016 ~ 0
Las muestras presentaron comportamiento contráctil, lo que evidencia que los finos presentes en el material son de baja actividad
VII.
CONCLUSIONES.
Se determina un valor de CBR para la muestra de 69%, correspondientes a una compactación con 25 golpes (5 capas) y una densidad seca de 1.29g/cm2 El índice de expansión reportado es de -0,024 para una compactación a 25 golpes, el índice es negativo, lo que evidencia una contracción del material en la inmersión relacionada con la dominancia de la carga frente a la baja actividad de los finos. De acuerdo a las correlaciones de CBR para clasificación (ver anexo) el suelo de estudio se clasifica como GM o GW (grava bien gradada / con un porcentaje bajo de finos), coherente a la inspección visual inicial. Así mismo, este valor de CBR de 69%, se relaciona con un módulo de reacción de subrasante K de 17.8Kg/cm3 Para suelos granulares una correlación convencional entre CBR y el módulo resiliente MR es: MR=4326*In(CBR)+241, en consecuencia, se estima para esta caso un módulo resiliente MR de 18600psi De acuerdo a las especificaciones para Bogotá IDU ET-2005, el material no requiere estabilización (CBR>4) y presenta un buen comportamiento como subrasante, siempre que se realicen adecuadamente los procedimientos de compactación. Se puede clasificar como una subrasante tipo SR-5 Las especificaciones indican que este material se puede emplear como subbase granular para cualquier tipo de tránsito (SBG C, CBR>30 – SBG B; CBR>40), pero no se puede emplear como base ya que su CBR (69%) no alcanza el 80%. El ensayo de CBR es altamente confiable por la sencillez de su ejecución, sin embargo, hay que tener en cuenta que al aplicarse el ensayo sobre muestras alteradas en su estructura, el resultado reportado no reflejará fielmente las condiciones in situ; adicionalmente, otro factor que aumenta el nivel de incertidumbre en este ensayo es la experticia de los operadores.
VIII.
REFERENCIAS.
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Instituto Nacional De Vías INVIAS, NORMAS DE ENSAYO DE MATERILES PARA CARRETERAS, INV E-148: relación de soporte del suelo en laboratorio , BOGOTA D.C. 2007.
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Instituto De Desarrollo Urbano IDU, ESPECIFICACIONES TÉCNICAS GENERALES DE MATERIALES Y CONSTRUCCIÓN PARA PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA VIAL Y DE ESPACIO PÚBLICO EN BOGOTÁ D.C. Bogotá D.C. 2005.
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Instituto De Desarrollo Urbano IDU, DISEÑO DE PAVIMENTOS PARA BAJOS VOLUMENES DE TRANSITO Y VIAS LOCALES PARA BOGOTA D.C , BOGOTA D.C. 2013.
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MONTEJO Fonseca, A. INGENIERÍA PARA PAVIMENTOS DE CARRETERAS. Universidad Católica de Colombia. 2002
Bogotá D.C:
Anexo 1. Graficas de correlaciones a partir del CBR. 1. Correlación CBR - clasificación Uniifcada/Aashto - módulo de reacción K (Montejo, 2002)
2. Correlación CBR – módulo resiliente – triaxial Texas. (Manual americano para diseño de pavimentos)
