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UNIVERSIDAD NACIONAL DE HUANCAVELICA
PAVIMENTOS: ENSAYO DE LABORATORIO CBR
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CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR)
1. ORIGEN.
Este mtodo 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 Amrica, el mtodo CBR se ha generalizado y es una forma de clasificacin
de un suelo para ser utilizado como subrasante o material de base en la construccin
de carreteras. Durante la segunda guerra mundial, el cuerpo de ingenieros de los
Estados Unidos adopt este ensayo para utilizarlo en la construccin de
aeropuertos.
2. DEFINICIN DE CBR.
El CBR de un suelo es la carga unitaria correspondiente a 0.1 0.2 de penetracin,
expresada en por ciento en su respectivo valor estndar. Tambin se dice que mide
la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad
controlada. El ensayo permite obtener un nmero de la relacin de soporte, que no
es constante para un suelo dado sino que se aplica solo al estado en el cual se
encontraba el suelo durante el ensayo.
3. OBJETIVOS:
Determinar el valor del C. B. R. de los suelos, cuando son compactados y
ensayados en el laboratorio, mediante la comparacin entre la carga de
penetracin en el suelo y aquella de un material normalizado o standard.
Describe el procedimiento de ensayo para la determinacin de un ndice de
resistencia de los suelos denominado valor de la relacin de soporte, que es
muy conocido, como CBR (California Bearing Ratio). El ensayo se realiza
normalmente sobre suelo preparado en el laboratorio en condiciones
determinadas de humedad y densidad; pero tambin puede operarse en
forma anloga sobre muestras inalteradas tomadas del terreno.
Este ndice se utiliza para evaluar la capacidad de soporte de los suelos de
subrasante y de las capas de base, sub-base y de afirmado.
4. DEFINICION DE NUMERO DE CBR Y ESPICIFICACIONES:
Los ensayos de CBR se hacen usualmente sobre muestras compactadas al
contenido de humedad ptimo para un suelo especfico, determinado utilizando el
ensayo de compactacin estndar o modificado del experimento.
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5. EQUIPOS NECESARIO UTILIZADOS:
5.1. Para la compactacin:
Molde de dim.= 6, altura de 7 a 8 y un collarn de 2.
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Disco espaciador de acero dim. 5 15/16 y alt. 2.5
Pisn Peso 10 lb. y altura de cada 18.
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Trpode y extensmetro con aprox. 0.001.
Pesas de plomo anular de 5 lbs c/u (2 pesas).
5.2. Para la prueba de penetracin:
Pistn seccin circular Dim. = 2 pulg.
Aparato para aplicar la carga: Prensa hidrulica. V= 0.05 pulg/min. Con
anillo calibrado.
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Equipo miscelneo: balanza, horno, tamices, papel filtro, tanques para
inmersin de muestra a saturar, cronmetro, extensmetros, etc.
6. PROCEDIMIENTO:
El procedimiento es tal que los valores de la relacin de soporte se obtienen a partir
de especmenes de ensayo que posean el mismo peso unitario y contenido de agua
que se espera encontrar en el terreno. En general, la condicin de humedad crtica
(ms desfavorable) se tiene cuando el material est saturado. Por esta razn, el
mtodo original del Cuerpo de Ingenieros de E.U.A. contempla el ensayo de los
especmenes despus de estar sumergidos en agua por un perodo de cuatro (4)
das confinados en el molde con una sobrecarga igual al peso del pavimento que
actuar sobre el material.
6.1. Preparacin de la muestra:
Se procede como se indica en las normas mencionadas (Relaciones de peso
unitario-humedad en los suelos, con equipo estndar o modificado). Cuando
ms del 75 % en peso de la muestra pase por el tamiz de 19.1 mm (3/4"), se
utiliza para el ensayo el material que pasa por dicho tamiz. Cuando la fraccin
de la muestra retenida en el tamiz de 19.1 mm (3/4") sea superior a un 25% en
peso, se separa el material retenido en dicho tamiz y se sustituye por una
proporcin igual de material comprendido entre los tamices de 19.1 mm (3/4") y
de 4.75 mm (No. 4), obtenida tamizando otra porcin de la muestra.
De la muestra as preparada se toma la cantidad necesaria para el
ensayo de apisonado, ms unos 6 kg por cada molde CBR.
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Se determina la humedad ptima y la densidad mxima por medio del
ensayo de compactacin elegido. Se compacta un nmero suficiente de
especmenes con variacin en su contenido de agua, con el fin de
establecer definitivamente la humedad ptima y el peso unitario mximo.
Dichos especmenes se preparan con diferentes energas de
compactacin. Normalmente, se usan la energa del Proctor Estndar,
la del Proctor Modificado y una Energa Inferior al Proctor Estndar. De
esta forma, se puede estudiar la variacin de la relacin de soporte con
estos dos factores que son los que la afectan principalmente. Los
resultados se grafican en un diagrama de contenido de agua contra peso
unitario.
Se determina la humedad natural del suelo mediante secado en estufa,
segn la norma MTC E 108.
Conocida la humedad natural del suelo, se le aade la cantidad de agua
que le falte para alcanzar la humedad fijada para el ensayo,
generalmente la ptima determinada segn el ensayo de compactacin
elegido y se mezcla ntimamente con la muestra.
6.2. Elaboracin de especmenes:
Se pesa el molde con su base, se coloca el collar y el disco espaciador y, sobre
ste, un disco de papel de filtro grueso del mismo dimetro.
Una vez preparado el molde, se compacta el espcimen en su interior,
aplicando un sistema dinmico de compactacin (ensayos
mencionados, dem Proctor Estndar o Modificado), pero utilizando en
cada molde la proporcin de agua y la energa (nmero de capas y de
golpes en cada capa) necesarias para que el suelo quede con la
humedad y densidad deseadas Es frecuente utilizar tres o nueve moldes
por cada muestra, segn la clase de suelo granular o cohesivo, con
grados diferentes de compactacin. Para suelos granulares, la prueba
se efecta dando 55, 26 y 10 golpes por capa y con contenido de agua
correspondiente a la ptima. Para suelos cohesivos interesa mostrar su
comportamiento sobre un intervalo amplio de humedades. Las curvas se
desarrollan para 56, 25 y 10 golpes por capa, con diferentes humedades,
con el fin de obtener una familia de curvas que muestran la relacin entre
el peso especfico, humedad y relacin de capacidad de soporte.
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Nota 1. En este procedimiento queda descrito cmo se obtiene el ndice
CBR para el suelo colocado en un solo molde, con una determinada
humedad y densidad. Sin embargo, en cada caso, al ejecutar el ensayo
deber especificarse el nmero de moldes a ensayar, as como la Humedad
y Peso Unitario a que habrn de compactarse.
Si el espcimen se va a sumergir, se toma una porcin de material, entre
100 y 500g (segn sea fino o tenga grava) antes de la compactacin y
otra al final, se mezclan y se determina la, humedad del Suelo. Si la
muestra no va a ser sumergida, la porcin de material para determinar
la humedad se toma del centro de la probeta resultante de compactar el
suelo en el molde, despus del ensayo de penetracin. Para ello el
espcimen se saca del molde y se rompe por la mitad.
Terminada la compactacin, se quita el collar y se enrasa el espcimen
por medio de un enrasador o cuchillo de hoja resistente y bien recta.
Cualquier depresin producida al eliminar partculas gruesas durante el
enrase, se rellenar con material sobrante sin gruesos, comprimindolo
con la esptula.
Se desmonta el molde y se vuelve a montar invertido, sin disco
espaciador, colocando un papel filtro entre el molde y la base. Se pesa.
6.3. Inmersin:
Se coloca sobre la superficie de la muestra invertida la placa perforada con
vstago, y, sobre sta, los anillos necesarios para completar una sobrecarga tal,
que produzca una presin equivalente a la originada por todas las capas de
materiales que hayan de ir encima del suelo que se ensaya, la aproximacin
quedar dentro de los 2,27 kg (5,5 lb) correspondientes a una pesa. En ningn
caso, la sobrecarga total ser menor de 4,54 kg (10 lb).
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Nota 2: A falta de instrucciones concretas al respecto, se puede determinar el
espesor de las capas que se han de construir por encima del suelo que se
ensaya, bien por estimacin o por algn mtodo aproximado. Cada 15cm (6")
de espesor de estructura del pavimento corresponde aproximadamente a 4,54
kg (10 lb) de sobrecarga.
Se toma la primera lectura para medir el hinchamiento colocando el
trpode de medida con sus patas sobre los bordes del molde, haciendo
coincidir el vstago del dial con el de la placa perforada. Se anota su
lectura, el da y la hora. A continuacin, se sumerge el molde en el
tanque con la sobrecarga colocada dejando libre acceso al agua por la
parte inferior y superior de la muestra. Se mantiene la probeta en estas
condiciones durante 96 horas (4 das) "con el nivel de agua
aproximadamente constante. Es admisible tambin un perodo de
inmersin ms corto si se trata de suelos granulares que se saturen de
agua rpidamente y si los ensayos muestran que esto no afecta los
resultados.
Al final del perodo de inmersin, se vuelve a leer el deformmetro para
medir el hinchamiento. Si es posible, se deja el trpode en su posicin,
sin moverlo durante todo el perodo de inmersin; no obstante, si fuera
preciso, despus de la primera lectura puede retirarse, marcando la
posicin de las patas en el borde del molde para poderla repetir en
lecturas sucesivas. La expansin se calcula como un porcentaje de la
altura del espcimen.
Despus del periodo de inmersin se saca el molde del tanque y se
vierte el agua retenida en la parte superior del mismo, sosteniendo
firmemente la placa y sobrecarga en su posicin. Se deja escurrir el
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molde durante 15 minutos en su posicin normal y a continuacin se
retira la sobrecarga y la placa perforada. Inmediatamente se pesa y se
procede al ensayo de penetracin segn el proceso del numeral
siguiente.
Es importante que no transcurra ms tiempo que el indispensable desde
cuando se retira la sobrecarga hasta cuando vuelve a colocarse para el
ensayo de penetracin.
6.4. Penetracin:
Se aplica una sobrecarga que sea suficiente, para producir una intensidad de
carga igual al peso del pavimento (con 2.27 kg de aproximacin) pero no
menor de 4.54 kg (10 lb). Para evitar el empuje hacia arriba del suelo dentro del
agujero de las pesas de sobrecarga, es conveniente asentar el pistn luego de
poner la primera sobrecarga sobre la muestra, Llvese el conjunto a la prensa
y colquese en el orificio central de la sobrecarga anular, el pistn de
penetracin y aade el resto de la sobrecarga si hubo inmersin, hasta
completar la que se utiliz en ella. Se monta el dial medidor de manera que se
pueda medir la penetracin del pistn y se aplica una carga de 50N (5 kg) para
que el pistn asiente. Seguidamente se sitan en cero las agujas de los diales
medidores, el del anillo dinamomtrico, u otro dispositivo para medir la carga, y
el de control de la penetracin. Para evitar que la lectura de penetracin se vea
afectada por la lectura del anillo de carga, el control de penetracin deber
apoyarse entre el pistn y la muestra o molde.
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Se aplica la carga sobre el pistn de penetracin mediante el gato o mecanismo
correspondiente de la prensa, con una velocidad de penetracin uniforme de
1.27 mm (0.05") por minuto. Las prensas manuales no preparadas para trabajar
a esta velocidad de forma automtica se controlarn mediante el deformmetro
de penetracin y un cronmetro. Se anotan las lecturas de la carga para las
siguientes penetraciones:
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7. CLCULOS:
Se calculan los Esfuerzos Aplicados dividiendo la carga para el rea del
pistn. La carga se obtiene multiplicando cada lectura del dial de cargas por
la constante del aparato.
Se coloca la muestra sobre la plataforma de prensa del C.B.R. La muestra
debe estar alineada con el pistn; se levanta la plataforma por medio del gato
hidrulico hasta que el pistn est en contacto con la muestra y se le est
aplicando una carga de 10 libras. Despus se vuelve a colocar en cero el
indicador de carga. Se coloca tambin el extensmetro en cero.
Se aplica la carga por medio del gato hidrulico de la prensa del C.B.R. a
una velocidad de 0.05 por minuto. Se toma la lectura de las cargas,
aplicadas a 0.025, 0.050, 0.075, 0.1, 0.3, 0.4 y 0.5 de penetracin del
pistn.
Se saca la muestra de la prensa del C.B.R. y se toma la muestra de humedad
alrededor del orificio dejado por el pistn.
Para sacar la muestra del molde se usa el extractor de muestras con la placa
de 6 de dimetro.
Se calculan los Esfuerzos Aplicados dividiendo la carga para el rea del
pistn. La carga se obtiene multiplicando cada lectura del dial de cargas por
la constante del aparato.
Se dibujan las curvas Esfuerzo vs. Penetracin para cada molde, colocando
en las abscisas cada una de los valores de penetracin y en las ordenadas
los respectivos esfuerzos.
En cada una de las curvas, el cero debe ser desplazado, para as compensar
los errores debidos a irregularidades en la superficie de las muestras y para
corregir la curva si esta empieza cncava hacia arriba.
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Se determina el valor del C.B.R. para cada molde tomando en cuenta que:
La relacin C.B.R. generalmente se determina para 1 y 2 de penetracin,
osea para un esfuerzo de 1000 y 1500 libras por pulgada cuadrada en el
patrn, respectivamente. De estos dos valores se usa el que sea mayor.
Se grafican los valores respectivos de Densidad Seca (antes de saturar) y
C.B.R. de cada molde.
Se determina el C.B.R. de la muestra de acuerdo a la Densidad Seca Mxima
obtenida en el ensayo de Compactacin, como se muestra a continuacin:
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ENSAYO DE CBR DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE HUANCAVELICA
MOLDE Nro. 3 2 1
No. GOLPES POR CAPA 10 25 56
CONDICION DE LA MUESTRA MOJADA MOJADA MOJADA
PESO MOLDE + SUELO HUMEDO
PESO DEL MOLDE
PESO DEL SUELO HUMEDO
VOLUMEN DEL SUELO
DENSIDAD HUMEDA
% DE HUMEDAD
DENSIDAD SECA 1.762 1.796 1.846
2,115.00
METODO ASTM D-1883
4,070.00
SIN MOJAR SIN MOJAR SIN MOJAR
11,340.00 11,410.00 11,520.00
7,270.00 7,265.00 7,250.00
1.92 1.96 2.02
4,145.00
2,115.00
4,270.00
2,115.00
9.21 9.15 9.36
TARA NRO.
TARA + SUELO HUMEDO 196.80 213.60 218.40
TARA + SUELO SECO 180.20 195.70 199.70
PESO DEL AGUA 16.60 17.90 18.70
PESO DE TARA -
PESO DEL SUELO SECO 180.20 195.70 199.70
% DE HUMEDAD 9.21 9.15 9.36
PROMEDIO DE HUMEDAD 9.21 9.15 9.36
CONTENIDO DE HUMEDAD
PENETRACIONPENETRACION MOLDE No :3 MOLDE No :2 MOLDE No :1
LECTURA CARGA LECTURA CARGA LECTURA CARGA
mm. pulg. DIAL LB LB/PG2 DIAL LB LB/PG2 DIAL LB LB/PG2
0.000 0 0.00 0.00 0 0.00 0.00 0 0.00 0.00
0.025 8 75.76 25.25 9 83.23 27.74 11 98.17 32.72
0.050 16 135.52 45.17 17 142.99 47.66 22 180.34 60.11
0.075 23 187.81 62.60 26 210.22 70.07 34 269.98 89.99
0.100 31 247.57 82.52 35 277.45 92.48 45 352.15 117.38
0.200 56 434.32 144.77 59 456.73 152.24 68 523.96 174.65
0.300 76 583.72 194.57 79 606.13 202.04 98 748.06 249.35
No GOLPES POR CAPA
12 25 56
Y 82.5233 92.4833 117.3833
FACTOR 10.0000 10.0000 10.0000
CBR % 8.250 9.250 11.740
DENSIDAD SECA 1.7621 1.7955 1.8461
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RESULTADOS GRAFICOS
Kg/Cm2 Kg/Cm2 Kg/Cm2
0.1" = 8.25% 0.1" = 9.25% 0.1" = 11.74%
PENETRACION (PULG.) PENETRACION (PULG.) PENETRACION (PULG.)
12 GOLPES 25 GOLPES 56 GOLPES
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.0 0.1 0.2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.0 0.1 0.20
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
0.0 0.1 0.2
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RESULTADOS:
% DE CBR
CBR AL 100.00% DE MAX. DENS. SECA
OPTIMO CONTENIDO DE HUMEDAD
9.360
100.00%
1.846
MAXIMA DENSIDAD SECA
% DE LA MAXIMA DENSIDAD SECA
DENS. SECA AL 100.00%
11.7
1.846
DETERMINACION DEL CBR
1.750
1.760
1.770
1.780
1.790
1.800
1.810
1.820
1.830
1.840
1.850
1.860
0 5 10 15 20 25 30
DE
NS
IDA
D S
EC
A G
R/C
M3
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8. CONCLUSIONES:
El cbr del lugar de estudio es de 11.74% con la cual se har el diseo
respectivo del pavimento o el tipo de estructura q se va emplear de acuerdo
asu necesidad.
La densidad seca mxima al 100% es de 1,846 kg/cm2.
El contenido de humedad optimo es de 9.36%.
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