RELACION SOPORTE CALIFORNIA (C.B.R) ASSHTO T 193 1.-
OBJETIVO:
Determinar el valor de Soporte Relativo e Hinchamiento de los suelos tomando como material de comparación la piedra triturada. MARCO TEORICO
El CBR es un ensayo para evaluar la calidad del un material de suelo con base en su resistencia, resistenc ia, medida a través de un ensayo de placa a escala. CBR significa en español relación de soporte California, por las siglas en inglés de «California Bearing Ratio», aunque en países como México se conoce también este ensayo por las siglas VRS, de Valor Relativo del Soporte.
Aunque fue desarrollado desarrollado en 1925, 1925, el ensayo comienza comienza a aparecer aparecer en los estándares estándares norteamericanos ASTM (por American Standards for Testing and Materials) desde 1964, en su versión para laboratorio (ASTM D 1883), y en su versión para campo (ASTM D 4429). A pesar de sus múltiples limitaciones, como se indicarán más adelante en este artículo, hoy por hoy, el CBR es uno de los ensayos más extendidos y aceptados en el mundo debido al relativo relativo bajo costo de de ejecución (si se compara compara con ensayos triaxiales), y a que está asociado a un número de correlaciones y métodos semi-empíricos semi-empíricos de diseño de pavimentos. Según la norma ASTM D 1883-07, el CBR es un ensayo de carga que usa un pistón metálico, de 0.5 pulgadas cuadradas de área, para penetrar desde la superficie de un suelo compactado en un molde metálico a una velocidad constante de penetración. penetració n. Se define CBR, el parámetro del ensayo, como la relación entre la carga unitaria en el pistón requerida para penetrar 0.1” (2.5 cm) y 0.2” (5 cm) en el suelo ensayado, y la carga unitaria requerida para penetrar la misma cantidad en una piedra picada bien gradada estándar; esta relación se expresa en porcentaje.
Bien, Bi en, por cada espécimen de suelo se calculan dos valores de CBR, uno a 0.1” de penetración, y el otro a 0.2” de penetración. La pregunta de siempre es ¿cuál de los dos es el CBR que se reporta? ASTM dice que el que se reporta es el de 0.1” mientras este sea menor que el de 0.2”. En el caso en el que el valor de CBR para 0.1” fuera mayor que el de 0.2” habría que repetir el ensayo para ese espécimen (La norma en inglés dice «rerun», que traducimos como volver a hacer el ensayo, pero no aclara si hay que volver a fabricar el espécimen o si se puede utilizar la opción de voltearlo y ensayarlo ensayarlo por el otro otro extremo). Los valores de CBR cercanos a 0% representan a suelos de pobre calidad, mientras que los más cercanos a 100% son indicativos de la mejor calidad. Antes de que pregunten les digo que sí, es posible obtener registros de CBR mayores que 100%,
típicamente en suelos ensayados en condición «en seco» o «tal como se compactó». Ante las preguntas que nos hay llegado prometo escribir un artículo especialmente para soportar este aspecto con resultados reales de pruebas. En la versión de CBR de laboratorio, los especímenes de suelo se compactan con el equipamiento del ensayo Proctor, utilizando moldes de 6” de diámetro y martillo grande. La velocidad de penetración del pistón durante el ensayo es constante e igual a 1.27 mm/min. VARIANTES DEL ENSAYO DE LABORATORIO
Según ASTM, para la versión de laboratorio del ensayo CBR existen dos variantes, una llamada «CBR para humedad óptima», y la otra llamada «CBR para un rango de contenidos de agua». El CBR para humedad óptima es la variante más popular y es conocida también como «CBR de tres puntos». Consiste en elaborar tres especímenes compactando el suelo con energías de compactación de 12, 25 y 56 golpes por capa. La humedad de mezclado del suelo es la humedad óptima del Proctor Modificado. Para obtener el CBR del suelo se prepara una gráfica con los resultados del ensayo de los tres especímenes poniendo en las abscisas al grado de compactación o la densidad y en las ordenadas al valor de CBR, y se unen los puntos a través de una curva. El CBR del suelo se define como el intercepto correspondiente al grado mínimo de compactación establecido por la especificación del proyecto o agencia solicitante. Aunque ASTM explica que esta variante está destinada a suelos que no son susceptibles al humedecimiento (por ejemplo, suelos granulares limpios), es práctica común utilizarla para todo tipo de suelos (corriendo el riesgo de no evaluar la influencia de la humedad en un suelo susceptible a la humedad).<
El CBR para un rango de humedades conocido también como «CBR de 15 puntos» y ASTM lo recomienda para suelos susceptibles a la humedad (suelos cohesivos o todos los suelos no limpios) o en los que se quiera evaluar el efecto de la humedad en la resistencia. ASTM dice que se preparan varios especímenes de suelo compactándolos en un rango de contenidos de agua similares a los que se piensa estará sometido en campo, y a varios niveles de energía de compactación, típicamente 12, 25 y 56 golpes por capa. Aunque antes el procedimiento ASTM proponía un método gráfico para definir el CBR, a partir de la versión 2005 de la norma D 1883 dicho procedimiento fue suprimido luego de la actualización de 2005. Entiendo que deja libre al laboratorista la interpretación. La variante de CBR para un rango de humedad es propicia para elaborar experimentos factoriales e interpretarlos con mapas de resistencia al estilo RAMCODES.
CONDICIONES DE HIDRATACIÓN Y SOBRECARGA
Además de todas estas consideraciones, en el ensayo de CBR se pueden variar tanto la condición de hidratación, como el número de sobrecargas anulares. Para ASTM, la condición de hidratación por defecto es la de 4 días de inmersión, a menos que la agencia o especificación solicite una diferente, como por ejemplo «tal como se compactó», o la llamada «humedad de equilibrio». La de 4 días es también la condición más utilizada en todo el mundo; inclusive hay especificaciones que la requieren expresamente (independientemente de que el suelo no vaya a estar en esa condición durante la vida útil del pavimento o estructura civil).
ASTM dice que el número de sobrecargas, que es un máximo de tres, deben utilizarse según el nivel de confinamiento al que se estime vaya a tener el suelo en la estructura. El número mínimo es una.
USO DEL ENSAYO
El CBR es un ensayo que se puede utilizar para evaluar y diseñar. Se evalúan subrasantes o superficies de colocación de estructuras. Por otra parte, se diseñan suelos para ser utilizados como materiales de base y subbase de pavimento, o para rellenos estructurales. En el siguiente artículo se profundiza más sobre esta diferencia de criterios para utilizar el CBR. (http://blogramcodes.blogspot.com/2012/07/cbr-y-la-diferencia-entre-evaluar y.html). LIMITACIONES DEL ENSAYO
La siguiente es una lista no exhaustiva de limitaciones que tiene el CBR y que suscitan la mayoría de las críticas a este ensayo: 1. El valor de CBR no comporta, per se, un parámetro geomecánico, aunque está asociado a múltiples correlaciones y métodos semiempíricos de diseño de pavimentos. 2. Durante el ensayo bajo condición de 4 días de inmersión no es posible controlar el grado de saturación del suelo. El espécimen es sacado del agua y dejado escurrir por 15 minutos antes de ser ensayado. Este escurrimiento incrementa la succión en el suelo de forma descontrolada, lo que da lugar a resultados sesgados. 3. La gráfica densidad versus CBR recomendada en el procedimiento ASTM para obtener el CBR de diseño del suelo no es, por definición, una curva de diseño. Por tanto, en el sentido estricto, no debería ser usada para diseñar el suelo compactado. De hacerse se obtendrían resultados sesgados ya que no hay forma de asegurar que todos los especímenes pertenecientes a la gráfica tienen el mismo grado de saturación. FORMAS DE SUPERAR ESTAS LIMITACIONES
o
Para convertir el CBR en módulo elástico se puede analizar como un ensayo de placa a escala. Esto es válido tanto para la versión de laboratorio como la de campo. Esto se explica en detalle en el siguiente artículo (http://blogramcodes.blogspot.com/2012/07/convirtiendo-el-criticable-cbr-enel.html). Con este procedimiento se superaría la primera limitación.
o
Se debe evitar a toda costa el ensayo bajo cuatro días de inmersión pues no es posible controlar el grado de saturación del suelo. Para ver esto en detalle por favor lea el siguiente artículo (http://blogramcodes.blogspot.com/2012/07/por-quedesconfiar-del-cbr-4-dias.html).
o
Para hacer propiamente curvas de diseño con el ensayo CBR se recomienda utilizar el procedimiento RAMCODES y el software SoilDesigner, tal como se explica en el siguiente artículo (http://blogramcodes.blogspot.com/2012/04/tres-formas-dedisenar-un-suelo.html)
El comentario final es que, aún siguiendo la norma ASTM, teniendo la co mpetencia del mejor laboratorista, los equipos nuevos y recién calibrados, y dejando de un lado las variaciones propias del ensayo como proceso estocástico, un mismo suelo puede tener tantos valores de CBR como condiciones de ensayo se tengan. Esta afirmación es lo suficientemente fuerte para provocar una intensa polémica, y la cantidad de información es tal que es necesario tiempo para digerir esta idea poco a poco. Aquí les dejo estos dos artículos que explican con extensión y soportan técnicamente esta afirmación.
2.-
EQUIPO DE LABORATORIO:
Moldes con collarín.
Pisón de compactación de 4.54 Kg. ( 10 Lb. ). Disco espaciador. Papel filtro. Batea. Bañadores. Probetas de vidrio graduadas ( para agua ). Guantes de goma. Regla metálica. Badilejos Pocillos. Horno. Balanza de 20 Kg. de capacidad x 1.0 gr. de aproximación.
Tamices de ¾” y No. 4.
Plato perforado con vástago regulable. Pesas de acero ( anulares y de discos ) de 2.2 Kg. ( 5 Lb.) c / u
Trípode con extensómetro ( 0.001 mm. ó 0.001” de rango ) para
determinar expansión. Depósito de agua, para inmersión de las probetas. Prensa hidráulica de carga de C.B.R.
Extensómetro de 0.01 mm. ó 0.01” de rango, para medir la penetración.
Cronómetro. Extractor de muestras. Papel plástico. Papel filtro.
3.-
CARACTERISTICAS DEL SUELO:
3.1. Anotarlas características del suelo, L.L., I.P., Clasificación, % H. Op, Dmss 3.2.
Preparar 3 muestras separadas de 7.0 Kg. c/u.
3.3.
Si se trata de suelos granulares el peso de la fracción retenida en el tamiz de 3/4” se debe compensar con un peso igual de muestra, que pasa el tamiz de ¾” y retiene el tamiz No. 4.
4.-
DETERMINACION DE LA HUMEDAD:
Las muestras deben tener un % de Humedad igual al de la Humedad Óptima determinada en el ensayo de compactación, se debe seguir los siguiente pasos: 4.1. Humedad natural:
Determinar el % de Humedad Natural del suelo preparado que resulta ser la Humedad Higroscópica ( % Hh )
4.2. Porcentaje de Humedad necesaria:
Es el resultado del % de Humedad Optima – % de Humedad Natural + 0.3 % por proceso de manipuleo.
4.3. Peso muestra húmeda (Psh):
Será de 7.0 kg. c / u.
4.4. Peso total seco (Pss):
Se determina por fórmula: Pss = ( Psh x 100 ) / ( 100 + % Hh )
4.5. Agua necesaria para el % H. optima:
Se determina, multiplicando el Peso suelo seco (Pss) x % de agua necesaria, en números enteros ( c.c. ).
4.6. Es la cantidad de agua que debe añadirse a la muestra original.
A.-
CONTENIDO DE HUMEDAD Y PESO UNITARIO:
5.-
PROCEDIMIENTO:
5.1.
Preparar los 3 moldes, debidamente calibrados, conocer sus pesos y volúmenes de c / u.
5.2.
Numerar los 3 moldes.
5.3.
Anotar el No. de capas ( 3 para suelos finos ) y ( 5 para suelos granulares ).
5.4.
Anotar el No. de golpes por capa ( 10, 35 y 65 para suelos finos ) ; ( 12, 25 y 56 para suelos granulares ).
5.5.
Vaciar la primera muestra en la batea y formar un cono hueco.
5.6.
Echar la cantidad de agua necesaria en cc., hasta llegar a su % H. optima ( 4.6. )
5.7.
Con el uso de los guantes de goma, manualmente mezclar el suelo con el agua, hasta formar una masa homogénea.
5.8.
Colocar el disco espaciador en el molde con el papel plástico encima.
5.9.
Vaciar el Suelo húmedo a 1/3 ó 1/5 del volumen del molde y compactar con el pisón de 4.54 Kg. ( 10 Lb. ) y con el No. de golpes determinado.
5.10. Llenar la última capa por encima del molde y compactar con No. de golpes determinado.
5.11. Sacar el collarín con cuidado y enrasar la muestra con los badilejos y la regla metálica hasta llegar al nivel superior del molde. 5.12. Preparar los tres moldes con No. de capas especificada y el No. de golpes determinado.
B.-
CONDICION DE LA MUESTRA:
6.-
PROCEDIMIENTO:
6.1.
Sacar el molde espaciador.
6.2.
Pesar el molde + suelo húmedo compactado.
6.3.
Anotar el peso del molde ( ya calibrado ).
6.4.
Determinar el peso de muestra húmeda: ( Psh + molde ) – ( Peso molde ).
6.5.
Anotar el volumen del molde ( dm 3 ), ya calibrado.
6.6.
Determinar el PESO UNITARIO HUMEDO ( PSH ) en ( Kg / dm3 ): dividiendo el Peso del Suelo Húmedo ( Psh ) entre el Volumen del molde ( dm3 )
C.-
DETERMINACION DEL PORCENTAJE DE HUMEDAD:
7.-
PROCEDIMIENTO:
7.1.
Antes de iniciar la compactación, sacar una muestra del suelo preparado, para determinar su % de Humedad ( inicial ).
7.2.
Terminada la compactación, del saldo del suelo húmedo que queda sacar una porción, pesar, secar al horno y determinar el % de humedad ( final ).
7.3.
Determinar el % de Humedad promedio, que debe ser muy próximo a la Humedad Optima del suelo.
7.4
Determinar el PESO UNITARIO SECO ( PUS ) en Kg. / dm3 PUS = ( PUH x 100 ) / ( 100 + % H )
D.-
EXPANSION:
8.-
PROCEDIMIENTO:
8.1.
La diferencia de la altura del molde – la altura del disco espaciador nos da la altura de la muestra compactada.
8.2
A la muestra compactada se coloca papel filtro en la parte superior e inferior del molde.
8.3.
Colocar el plato perforado con vástago regulable.
8.4.
Colocar las 2 pesas, ( anular y en herradura ) de 2.2 Kg. ( 5 Lb. ) c / u.
8.5.
Se sumerge los moldes en la pileta llena de agua, hasta que el agua sobrepase la muestra de suelo unos 2 cm.
8.6.
Se coloca sobre el molde, el trípode con extensómetro, regulando el vástago del plato hasta que toque con el dial del extensómetro, se coloca en cero y se ajusta el vástago, ( Lectura inicial )
8.7.
Después de 4 días de inmersión, se vuelve a leer ( lectura final ).
8.8.
Se determina el hinchamiento, por diferencia entre la lectura final – lectura inicial.
8.9.
El rango de lectura del extensómetro es de 0.001 mm. ó 0.001”
8.10. Finalmente se calcula % EXPANSIÓN :
% EXPANSIÓN = diferencia de lecturas x 100 altura de la muestra E.-
PENETRACION:
9.-
PROCEDIMIENTO:
9.1.
Se saca los moldes de la pileta, se los inclina, para vaciar el agua libre, sujetando las pesas.
9.2.
Después se deja drenar durante 15 minutos en posición inclinada.
9.3.
Se lleva el molde a la prensa de ensayo de CBR, prevista de todos los implementos necesarios, se centra la muestra para que pa se el pistón del aro dinamométrico; todo aro dinamométrico tiene su propia planilla de calibración con la escala que se quiera trabajar.
9.4.
Se regula la altura de la muestra con el pistón del aro dinamométrico al contacto se coloca en cero el extensómetro. Este aro nos da las cargas de resistencia a la deformación.
9.5.
Paralelamente se coloca el extensómetro que medirá las penetraciones y que se halla sujeta al marco, la que se hace coincidir también en cero.
9.6.
Se coloca el cronómetro en cero.
9.7.
Se inicia la aplicación de carga a una velocidad igual 1.27 mm. / min. ( 0.5” / min. ), anotándose las lecturas que registra el dial del aro dinamométrico ( lecturas de calibración en Kg.; Lb. o KN), para penetraciones de 0.64 mm. ( 0.025” ) a 30 segundos; 1.27 mm. ( 0.050” ) a 1 minuto ; 1.91 mm . ( 0.075” ) a 1.5 minutos ; 2.54 mm.( 0.1” ) a 2 minutos ; 5.1 mm. ( 0.2” ) a 4 minutos ; 7.6 mm. ( 0.03” ) a 6 minutos; 10.2 mm. ( 0.4” ) a 8 minutos y 12.7 mm. ( 0.5” ) a los 10 minutos . Se anota en la casilla CARGA DE ENSAYO.
9.8.
Se descarga la prensa y se retira el molde.
9.9.
Estas lecturas se las convierte en Kg.. Lb., o KN., de acuerdo a la planilla de calibración a utilizarse.
9.10. Las 4 primeras lecturas sirven para verificar si será necesario efectuar correcciones en la Curva Penetración vs. Carga. 9.11. De tener que efectuarse correcciones, se correrá el nuevo punto de origen y esa distancia se recorrer para 0.1” y 0.2” de penetración lo que nos dará nuevas cargas mayores en Kg., Lb., o KN, lo que se anota en cargas corregidas; con lo cual recién se calculará el CBR. 9.12. Se determina el CBR:
Para 0.1” = Carga Lb. x 100 / 3000 Para 0.2” = Carga Lb. x 100 / 4500
9.13. La variación entre 0.1” y 0.2” no debe ser mayor en un 5 %, caso contrario se debe repetir el ensayo.
F.-
GRAFICOS, ( CARGA – PENETRACION )
10.-
PROCEDIMIENTO:
10.1. Se debe determinar la escala adecuada, de cargas en Kg., Lb., o KN en ordenadas, y en abscisas las penetraciones. 10.2. Se grafica los puntos carga – penetración. 10.3. Se unen los puntos y debe ser una curva continua que nazca desde el origen de coordenadas.
10.4. Aquí se determina si se tiene que efectuar correcciones para nuevas cargas. 10.5. Se grafica por separado para los 3 moldes ( 10, 30, 65 golpes ) ó ( 12, 25, 56 golpes )
G.-
GRÁFICO, ( PESO UNITARIO SECO Kg. / dm3 VS. % HUMEDAD ):
11.-
PROCEDIMIENTO:
11.1. Se determina una escala conveniente, en ordenadas para el PESO UNITARIO SECO del ENSAYO DE COMPACTACION y en abscisas los % DE HUMEDAD 11.2. Se determina los valores para el 100, 97 y 95 % de la Densidad Máxima Seca del Suelo.
H.-
GRAFICO, ( PORCENTAJE DE CBR VS. PESO UNITARIO SECO ):
12.-
PROCEDIMIENTO:
12.1. En ordenadas se marca los PESOS UNITARIOS SECOS de los 3 moldes de C.B.R. 12.2. En abscisas los CBR calculados, de cada molde ; ( determinar una escala adecuada entre el máximo y el mínimo ). 12.3. Unir con una curva continua, de modo que pase por los 3 puntos determinados. 12.4. Luego de ordenadas se traza una línea paralela a la horizontal para el 100, 97 y 95 % de Pesos Unitarios Secos, se intersecta a la curva del CBR vs. PUS y bajando a abscisas determinamos los CBR correspondientes para los tres valores que se requieren conocer.
