INTRODUCCIÓN Todas las estructuras de ingeniería civil, edificios, puentes, túneles, muros, torres, canales y en especial las carreteras, deben de cimentarse sobre una superficie de suelo o dentro de ella. Para que una estructura se comporte adecuadamente debe cumplir parámetros adecuados. Los terraplenes en los que se construyen las obras viales, transmiten esfuerzos al terreno natural y bajo ellas; esos esfuerzos, producen deformaciones que se reflejan en el comportamiento estructural de dichos terraplenes. Es por esto que al diseñar una obra vial es necesario conocer las condiciones del suelo en el cual se pretende cimentar. Es por ello que a través del tiempo y con el perfeccionamiento de ensayos es que se utiliza el California Bearing Ratio (CBR) o Relación Soporte de California consiste en establecer una relación entre la resistencia a la penetración de un suelo y su capacidad de soporte como base de sustentación para pavimentos flexibles. Este método fue creado en el año 1929 los ingenieros T.E. Stanton y O.J. Portes de estado de california, quienes establecieron dicha relación tomando como patrón la resistencia que ofrece la piedra picada de California a la cual se le asignó un valor soporte del 100%. Desde su creación el método se generalizó tanto en Europa como en América y es hoy en día uno de los métodos más usados para el diseño del pavimento flexible.
MARCO TEORICO Reseña histórica 1929 los ingenieros T.E. Stanton y O.J. Portes de estado de california, quienes establecieron dicha relación tomando como patrón la resistencia que ofrece la piedra picada de California a la cual se le asignó un valor soporte del 100%. Este método de CBR ha sido adoptado por el cuerpo de ingenieros de Estados Unidos de América y por otros Organismos técnicos y viales, sufriendo algunas modificaciones desde su aparición. En épocas mas recientes el U.S. Army Corps of Engineers ha desarrollado un método de prueba que difiere del tradicional en los procedimientos de preparación del espécimen. Se emplea un método dinámico de compactación de los especímenes para lo que usan las pruebas ASSHTO Estándar y Modificada y otra con energía de compactación intermedia. Se trata de reproducir razonablemente las condiciones de compactación logradas con el equipo de campo (método de CBR de 3 puntos). Ádemas del método de CBR de 3 puntos, el MOP E-126-1 propuso el método de ensayo para determinar la capacidad soporte de suelo fino con índice de grupo igual o mayor de 6, el cual corresponde, al ensayo de CBR de 15 puntos; este método proporciona amplia información pero presenta ciertas limitaciones en cuanto al tiempo que se realiza y la capacidad de muesta que se debe de tomar.
Ensayo CBR El ensayo CBR (California Bearing Ratio), fue propuesto por los ingenieros Stanton y Porter del Departamento de Carreteras del Estado de California en el año de 1929. Desde esa fecha este método se utiliza alrededor del mundo y es uno de los ensayos más usados en el diseño del pavimento f lexible. El CBR, es una relación entre la resistencia a la penetración del suelo ensayado y su capacidad de soporte como base de sustentación, teniendo como patrón de resistencia que ofrece la piedra picada de California cuyo valor de soporte es del 100%.
Por medio de este método se determinan la relación humedad-peso unitario seco, las propiedades expansivas del suelo, y la relación resistenciapenetración, utilizando muestras compactadas al contenido óptimo de humedad obtenido en el ensayo de Proctor. El procedimiento a seguir para la realización de este ensayo es como lo especifica la norma ASTM. El ensayo CBR 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 4 dias 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 5 mm y los expresamos en tanto por ciento, tomando como índice CBR el mayor de los porcentajes calculados.
El ensayo de C.B.R. mide la resistencia al corte (esfuerzo cortante) de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas, la ASTM denomina a este ensayo, simp lemente como “Relación de Soporte” y está normado con el número ASTM D 1883-73. Este ensayo puede realizarse tanto en laboratorio como en terreno, aunque este último no es muy practicado. El número CBR se obtiene como la relación de la carga unitaria en Kg/cm2 (o libras por pulgadas cuadrada, (psi)), necesaria para lograr una cierta profundidad de penetración del pistón (con un área de 19.4 centímetros cuadrados) 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, en ecuación, esto expresa: CBR = Carga unitaria de ensayo * 100 Carga unitaria patrón Los valores de carga unitaria que deben utilizarse en la ecuación son: Penetración Mm.
Carga unitaria patrón Pulgada
Mpa
2.54
0.1
6.9
5.08
0.2
10.3
7.62
0.3
13.1
10.16
0.4
15.8
12.7
0.5
17.9
El número CBR usualmente se basa en la relación de carga para penetración de 2.54 mm (0,1”), sin embargo, si el valor del CBR para una penetración 5.08 mm (0,2”) es mayor, dicho valor debe aceptarse como valor
final de CBR. Los ensayos de CBR se hacen usualmente sobre muestras compactadas contenido de humedad óptimo para un suelo determinado, utilizando el ensayo compactación estándar. A continuación, utilizando los métodos 2 o 4 de las
normas ASTM D698-70 ó D1557-70 (para el molde de 15.5 cm de diámetro), se deben compactar muestras utilizando las siguientes energías de compactación:
Tabla No 3. Energías de Compactación Aparatos para realizar el ensayo de CBR: - Prensa de Ensayo - Moldes - Pisón - Cargas - Pistón de penetración
Ensayos previos para realizar un CBR 1.- Contenido de humedad del suelo: La determinación de humedad es un ensayo para conocer la cantidad de agua presente en una cantidad dada de suelo en términos de su peso en seco. El contenido de humedad (W) de un suelo, se define como la relación entre el peso del agua (Ww) y el peso de los sólidos (Ws) contenidos en la muestra expresado en porcentaje.
W={Ww/Ws}* 100
2.- Análisis Granulométrico: El análisis granulométrico tiene por objeto determinar el tamaño de los granos que componen el suelo y la proporción de una determinada fracción de granos como porcentaje de la masa total de la muestra. La granulometría de la fracción granular gruesa se determina por el procedimiento especificado en la norma ASTMD421-58 y D422-63, y la cantidad de muestra a utilizar debe estar en función del tamaño máximo nominal de sus partículas.
3.- Limites de Atterberg: El científico de suelos sueco Albert Atterberg en el año 1911 definió como Plasticidad la capacidad que tenía un suelo de ser deformado. A su vez observó que los suelos arcillosos en condiciones húmedas son plásticos y se vuelven muy duros en condiciones secas, que los limos no son necesariamente plásticos y se vuelven menos duros con el secado, y que las arenas son friables en condiciones sueltas y secas. También observó que existían arcillas altamente plásticas y otras de baja plasticidad. Atterberg estudió diferentes métodos para medir la plasticidad en forma directa pero ninguno de esos métodos constituía un método certero. En el desarrollo de sus ideas, observó que arcillas mezcladas con gran cantidad de agua formaban un fluido apenas viscoso. Con menor cantidad de agua se volvía un fluido con una cierta rigidez que se tornaba pegajoso. Con la evaporación de mayor cantidad de agua la pegajosidad desaparecía y la arcilla podía ser deformada como uno quisiera. Existía un punto donde, con el incremento de la evaporación, la propiedad de ser deformada se perdía. De aquí estableció distintos estados de consistencia de los suelos plásticos: • Estado líquido: cuando las partículas de suelo permanecen en
suspensión. • Estado semilíquido: cuando el suelo tiene las características de un fluido
viscoso.
• Estado plástico: cuando el suelo se puede moldear y deformar sin exhibir
propiedades elásticas, cambios de volumen o agrietamiento. • Estado semisólido • Estado sólido
Para ser posible la definición de los estados de consistencia, Atterberg estableció límites que establecían su diferenciación: • El mayor límite de un fluido viscoso, con el que una mezcla de arcilla y
agua fluye casi como el agua. • El menor límite de un fluido viscoso, el “límite líquido”, donde dos
secciones de suelo amasado, puestos en un recipiente cóncavo, apenas se tocan bajo el impacto de varios golpes secos. • El “límite de pegajosidad” en el cual la arcilla pierde las prop iedades
adhesivas y cesa la pegajosidad con otros objetos, como por ejemplo hojas metálicas, cuchillas de arado, orugas de tractores, etc.. • El “límite de cohesión”, en el cual los granos de suelo cesan de unirse unos con otros. • El menor límite del estado plástico, o “límite plástico”, donde un
suelo se desagrega cuando es rolado en bastoncitos. • El menor límite de cambio de volumen o “límite de contracción”, en que
la pérdida de humedad no causa pérdida de volumen.
4.- Límite Líquido: Es el contenido de humedad por debajo del cual el suelo se comporta como material plástico. Los suelos de límite líquido alto son siempre de grano fino y contienen minerales que absorben agua, tal es el caso de los minerales arcillosos.
5.- Límite Plástico: El límite plástico se define como el contenido de humedad de un suelo, cuya consistencia se encuentra en el límite entre los estados plástico y semisólido, o como aquel contenido de humedad que presenta un suelo, que al enrollársele se agrieta cuando su diámetro es aproximadamente igual a 3 mm (1/8”). Los límites Líquido y Plástico han sido ampliamente utilizados con el
objeto de identificar y clasificar el suelo, además de relacionarse para obtener los índices de plasticidad, consistencia y de actividad de la arcilla que dan una idea del comportamiento del suelo.
6.- Índice de Plasticidad: Es el rango en el cual el suelo se comporta plásticamente, se obtiene como la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico.
7.- Clasificación de los suelos: Los suelos se suelen clasificar según su tamaño para los efectos de la ingeniería de suelos. Para esto, existen varias normas. La dada en Norteamérica por la AASHTO (American Association of State Highway Officials) clasifica los suelos en dos grandes grupos según que pase menos del 35 % por el tamiz # 200 ASTM (200 mallas por pulgada lineal, 0,074 mm de longitud) o que pase más del 35% por el citado tamiz. En la primera clasificación entran los materiales granulares y en la segunda los limos y arcillas. A su vez estos dos grandes grupos se dividen en otros, según el tanto por ciento que pasa por otros tamices o cedazos. No obstante, para los trabajos de campo los suelos se clasifican en cinco grupos que son los que frecuentemente se emplean para describir el material. Estos son rocas, gravas, arenas, limos y arcillas.
8.- Sistema Unificado de Clasificación de Los Suelos (S.U.C.S.): Este sistema fue presentado por Arthur Casagrande como una modificación y adaptación más general a su sistema de clasificación propuesto en 1942 para aeropuertos. Ver Anexo III. Los suelos de partículas gruesas y los suelos de partículas finas se distinguen mediante el cernido del material por el tamiz # 200. Los suelos gruesos corresponden a los retenidos en esa malla y los finos a los que la pasan, y así un suelo se considera grueso si más del 50 % de las partículas del mismo son retenidas en el tamiz # 200 y fino si más del 50 % son menores que dicho tamiz. Los suelos se designan por símbolos de grupo. El símbolo de cada grupo consta de un prefijo y de un sufijo. Los prefijos son las iniciales de los nombres ingleses de los seis principales tipos de suelos ( grava, arena, limo, arcilla, suelos orgánicos de grano fino y turba ), mientras que los sufijos representan subdivisiones en dichos grupos.
Procedimiento para determinar el CBR Curvas de tensión – penetración - Calcular las tensiones de penetración en Mega Pascales (MPA) o en (Kg/cm ). - Para ello se traza la curva en un gráfico tensión – penetración. - La curva puede tomar, ocasionalmente, la forma cóncava hacia arriba debido a irregularidades de superficie u otras causas. En dichos casos el punto cero debe corregirse trazando una recta tangente a la mayor pendiente de la curva y trasladando el origen al punto en que la tangente corta la abscisa. - Obtener de la curva los valores de las tensiones necesarias para lograr una penetración de 0.1” y 0.2”.
- Las curvas de tensión – penetración se dibujan en un mismo gráfico para los distintos números de golpes. – El valor del CBR es la relación expresada en porcentaje entre la carga real, que produce una deformación establecida y la que se requiere para producir igual deformación en un material normalizado. Se expresa por la relación:
CBR = (P*100)/P1 P: Carga obtenida en el ensayo Pi: Carga unitaria normalizada Las cargas normalizadas se dan en la siguiente tabla: PENETRACIÓN
TENSIONES TENSIONES NORMALIZADAS (Mpa) NORMALIZADAS (Kgf/cm2)
2.54
6.9
70
5.08
10.3
105
7.62
13.1
133
10.16
15.8
162
12.7
17.9
183
Tabla No 4. Penetración – Tensiones normalizadas
Para los suelos del tipo A –1; A –2 – 4 y A –2 –6, la razón de soporte se calcula solo para 5 mm de penetración (0.2 pulgadas). Para suelos del tipo A –4; A –5; A –6 Y A –7, cuando el CBR correspondiente a 5 mm es mayor que a 2,5 mm, confirmar el resultado, en caso de persistencia, la razón de soporte corresponderá a 5 mm de penetración. Para suelos del tipo A – 3; A – 2 – 5 Y A – 2 – 7, el procedimiento a aplicar queda a criterio del ingeniero. Cuando se requiere conocer los efectos de pre consolidación natural, estructura de suelo, cementación natural, estratificación, que son aspectos que no pueden producirse con muestras re moldeadas de suelo ni con muestras supuestamente inalteradas que se ensayen en laboratorio, se recomienda efectuar el ensayo CBR in-situ, siempre que el terreno natural esté en las condiciones más críticas en el momento de efectuar la prueba. El procedimiento que se sigue en esta prueba es similar al establecido en los ítems anteriores, con la diferencia que en este caso, la muestra no está confinada en un molde. Es condición que en el lugar que se realice el ensayo no existan partículas superiores al tamiz 20 mm (3/4”). La preparación del terreno requiere enrasar y
nivelar un área de 30 cm de diámetro, para posteriormente colocar las sobrecargas estipuladas. El informe final del ensayo deberá incluir además del CBR determinado, la curva de presión – penetración, la humedad, peso específico y densidad natural del suelo ensayado, antecedentes que pueden obtenerse del suelo inmediatamente vecino, al que afectó el ensayo del CBR.
Arena sin cohesión y grava (GW, GP, SW, SP) Por lo general los suelos sin cohesión se compactan fácilmente mediante rodillos especiales o por medio del tránsito hasta su peso específico máximo especificado por el método AASHO modificado; prueba que se efectúa dando 55 golpes por capa y con un contenido de agua correspondiente a la saturación de la muestra para obtener el peso volumétrico máximo. Si la saturación no baja al CBR de una arena sin cohesión o grava, podrá ser omitido en las pruebas posteriores del mismo material.
Suelo sin cohesión (GM, GC, SM, SC, ML, CL, OL) Los suelos de este grupo se ensayan de manera de obtener datos que mostrarán su comportamiento sobre un intervalo completo de contenido de humedad anticipado para muestras representativas. Las curvas de compactación para 55, 25 y 10 golpes por capa, sumergido y penetrando cada espécimen, con el fin de obtener una familia completa de curvas que muestran la relación entre el peso específico, contenido de agua y CBR Como ayuda para determinar la validez de los datos de compactación, se dibujan sobre un papel semilogarítmico el peso específico máximo contra la energía de compactación (trabajo por unidad de volumen); los puntos así obtenidos dan, por lo general, una línea recta.
2.3.8.4- Suelo expansivos (MH, CH, OH) Los procedimientos de prueba para suelos de gran expansión son los mismos que los descritos antes para suelos cohesivos. Sin embargo, los objetivos del programa de prueba no son exactamente los mismos. Las pruebas que se realizan en suelos expansivos tienen como finalidad la determinación del contenido de humedad y el peso volumétrico que produce la expansión mínima. El contenido de humedad y el peso volumétrico apropiado para este caso no son necesariamente los valores óptimos obtenidos a través de la prueba AASTHO modificada. Por lo general la expansión mínima y el máximo CBR saturado ocurre para un contenido de humedad ligeramente mayor que el óptimo. Cuando se ensayan suelos que se expanden con facilidad, puede ser necesario que se requiera la preparación de muestras para un intervalo mas amplio de humedades y pesos volumétricos que los utilizados normalmente, con el objeto de establecer la relación entre el contenido de humedad, el peso volumétrico, la expansión y el CBR en un suelo determinado. Un cuidadoso estudio de los resultados de la prueba hecho por un ingeniero experimentado, permitirá seleccionar el contenido de humedad y el peso volumétrico adecuado para llenar los requisitos del campo. Debe hacerse notar que existe la posibilidad de que el espesor de diseño esté gobernado en algunos casos por los requisitos de compactación en lugar del CBR .
