RELACIN DE SOPORTE DEL SUELO EN EL LABORATORIO

CBR

Informe de Laboratorio

Presentado a: CSAR ORLANDO CHAVES GMEZ ANDRS FONSECA MALAVER CAMILA ANDREA GMEZ GARCA DAISI TATIANA PERICO FRANCO LEIDY JOHANNA VIRACACHA ALVAREZ 214488 214240 214242 214142 213716

Presentado a: Ing. CAROL MURILLO FEO

UNIVESIDAD NACIONAL DE COLOMBIADepartamento de Ingeniera Civil y Agrcola Sede Bogot Bogot, 10 de Octubre 2011

TABLA DE CONTENIDO

ENSAYO DE LA RELACION DE SOPORTE CALIFORNIA (CBR) ................................................................ 3 INTRODUCCION ................................................................................................................................... 3 OBJETIVO ............................................................................................................................................. 3 OBJETIVOS ESPECIFICOS............................................................................................................... 3 EQUIPOS Y MATERIALES ...................................................................................................................... 4 PROCEDIMIENTO ................................................................................................................................. 6 DATOS.................................................................................................................................................. 7 CLCULOS Y ANALISIS DE RESULTADOS ............................................................................................. 8 CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 15 RECOMENDACIONES ......................................................................................................................... 15 BIBLIOGRAFA .................................................................................................................................... 16

ENSAYO DE LA RELACION DE SOPORTE CALIFORNIA (CBR) INTRODUCCIONDos suelos diferentes alcanzarn no solo densidades secas y humedades ptimas diferentes en el ensayo de compactacin, sino que el material al estar constituido por partculas diferentes, tendr un comportamiento en trminos de ingeniera diferente. Por ello, se hace necesario un parmetro adicional que considere la capacidad de soporte del suelo en s mismo para esas condiciones de compactacin.

Para determinar el CBR de un material que har parte de la estructura de una va es necesario contar con los resultados de las pruebas de compactacin que a su vez determinan la humedad ptima donde el suelo se hace ms denso, asociando este resultado con una resistencia mayor.

OBJETIVODdeterminar el CBR de una muestra de suelo granular obtenida del laboratorio de suelos de la Universidad Nacional de Colombia. Sin embargo, para lograr este resultado es necesario en primer lugar realizar el ensayo de compactacin de Proctor modificado para conocer la humedad ptima de compactacin. Con este dato se llevar el suelo a dicha humedad y se realizar el ensayo de penetracin de Proctor mencionado anteriormente.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Aprender a interpretar los resultados de un laboratorio de CBR dando aplicabilidad al uso en el diseo de pavimentos. Desarrollo de las prcticas de laboratorio para determinar los parmetros buscados en las muestras de suelo Manejo de los equipos y el aprendizaje de la forma de presentacin de los datos obtenidos en el laboratorio.

EQUIPOS Y MATERIALES

Prensa: Similar a las usadas en ensayos de compresin, utilizada para forzar la penetracin de un pistn en el espcimen. Debe tener una capacidad suficiente para penetrar el pistn en el espcimen a una velocidad de 1.27 mm/min (0.05/min) y hasta una profundidad de 12.7 mm (0.5). El desplazamiento entre la base y el cabezal se debe poder regular a una velocidad uniforme de 1.27 mm (0.05") por minuto. La capacidad de la prensa y su sistema para la medida de carga deben ser de 44.5 kN (10000lbf) ms y la precisin mnima en la medida debe ser de 44N menos. Martillo de compactacin: de 10 libras Aparato medidor de expansin: compuesto por: Una placa de metal perforada, por cada molde, de 149.2 + 1.6 mm (5 7/8 1/16) de dimetro, cuyas perforaciones no excedan de 1,6 mm (1/16") de dimetro. Estar provista de un vstago en el centro con un sistema de tornillo que permita regular su altura. Un trpode cuyas patas puedan apoyarse en el borde del molde, que lleve montado y bien sujeto en el centro un dial (deformmetro), cuyo vstago coincida con el de la placa, de forma que permita controlar la posicin de ste y medir la expansin, con aproximacin de 0.025 mm(0.001").

Moldes: De metal, cilndricos, de 152,4 mm 0.66 mm (6 0.026") de dimetro interior y de 177,8 0.46 mm ( 7 0.018") de altura, provisto de un collar suplementario de 51 mm (2.0") de altura y una placa de base perforada de 9.53 mm (3/8") de espesor. Las perforaciones de la base debern ser por lo menos 20 uniformemente espaciadas dentro de la circunferencia del molde, no excedern de 1,6 mm (1/16) de dimetro. La base se deber poder ajustar a cualquier extremo del molde. Disco espaciador: De forma circular, metlico, de 150.8 0.8mm (5 15/161/32) de dimetro y de 61.37 0.25 mm (2.416 0.01") de espesor, para insertarlo como falso fondo en el molde cilndrico durante la compactacin. Sobrecargas metlicas: Unas diez por cada molde, una anular y las restantes ranuradas, con una masa de 2,27 0.04 Kg (5 0.10 lb) cada una, 149.2 + 1.6 mm (5 7/8 1/16) de dimetro exterior y la anular con 54 mm de dimetro en el orificio central.

Pistn de penetracin: Cilndrico, metlico de 49.63 0.13 mm de dimetro (1.954 0.005"), rea de 1935 mm (3 pulg) y con longitud necesaria para realizar el ensayo de penetracin con las sobrecargas precisas de acuerdo con la Seccin 3.6, pero nunca menor de 101.6 mm (4"). Dos diales (deformmetros): Con recorrido mnimo de 25 mm (1") y divisiones en 0.025 mm (0.001"), uno de ellos provisto de una pieza que permita su acoplamiento en la prensa para medir la penetracin del pistn en la muestra. Tanque: Con capacidad suficiente para la inmersin de los moldes en agua. Horno: Termostticamente controlado, regulable a 110 5C (230 9F) Balanzas: Una de 20 kg de capacidad, y otra de 1000 g con sensibilidades de 5 g y 0.1 g respectivamente. Herramientas y accesorios. Pala, platn o bandeja metlica de mezclado, machete, baldes y esptula. Tamices: De 4.75 mm (No.4) y de 19.0 mm (3/4").

PROCEDIMIENTO1. 2. 3. 4. Preparar tres muestras de material cada una con pesos de 6000 gr y a partir de ello se realiza un cuarteo para que ste tenga diferentes tamaos en su composicin granular. Luego, debemos tamizarla con el propsito de que el 75% del material pase el tamiz, de lo contrario resultara necesario hacer reemplazo de material con el que pasa por dicho tamiz, pero queda retenido en el Nmero 4. Para cada molde ajustar el molde a la base, insertar el disco espaciador en el molde y cubrirlo con un disco de papel filtro. Despus, de haber determinado la humedad ptima y natural del terreno, 7% y 1% (por medio del ensayo de laboratorio de proctor modificado), respectivamente. Con estos valores se procede a calcular la cantidad de agua que se debe suministrar a la muestra para alcanzar la humedad ptima. 5. 6. 7. 8. 9. Fabricar 3 probetas de 5 capas cada una: 1 de 12 golpes por capa, 1 de 25 golpes por capa y 1 de 56 golpes por capa, se compacta el suelo con las energas necesarias para este caso se utiliz proctor modificado.. Para cada molde retirar la base, el collar y el disco espaciador, se da vuelta a la muestra se enrasa con el machete y se pesa el molde con el suelo compactado. Colocar un disco de papel filtro sobre la base, invertir la muestra y asegurar el molde a la base de forma que el suelo quede en contacto con el papel filtro. Colocar dos pesas ranuradas (aprox. 5 libras cada una) sobre la muestra de suelo compactado para simular la presin de sobrecarga requerida. Sumergir en un tanque de inmersin durante un lapso de 96 horas las probetas con la muestra dentro. A partir del momento de la inmersin y cada 24 horas se lee la expansin o contraccin de las muestras, con un deformmetro ubicado en un trpode que se ubica sobre el molde directamente. 10. Pasadas las 96 horas se extrae la muestra del tanque de inmersin y se deja escurriendo durante 15 minutos luego se lleva a una prensa, la cual imparte una fuerza de penetracin a una velocidad de deformacin de 1.27 mm por minuto. 11. Colocar la muestra en la mquina de compresin y sentar el pistn sobre la superficie de suelo utilizando una carga inicial no mayor de 4.5 kg. Fijar el cero en los deformmetros de medida de carga y de penetracin (o deformacin). 12. Hacer lecturas de deformacin o penetracin y tomar las respectivas lecturas del deformmetro de carga.

DATOSSe tomaron tres probetas del laboratorio con una numeracin definida a las cuales se les aplicaron las energas de compactacin indicadas a continuacin:

Probeta # 27 # 24 # 33

Golpes 56 25 12

Energa de compactacin 55200 lb*pulg/pulg3 26400 lb*pulg/pulg3 12400 lb*pulg/pulg3

A continuacin se muestran los datos obtenidos directamente de las mediciones en el laboratorio. Peso de los moldes y de las bases:

Pesos de los Moldes Molde No. 27 24 33 Peso Probeta(gr) 4738 4375 4808 Peso Base(gr) 2950 3000 2939 Peso probeta + base (gr) 7688 7375 7747

Moldes con material, antes y despus de la inmersin.

Molde No. 27 24 33

Peso Probeta(gr) 4738 4375 4808

Peso Base(gr) 2950 3000 2939

Peso suelo(gr) 4827 4638 4490

Peso Total (gr) 12515 12013 12237

Peso Sobrecarga(gr) 10000 10000 10000

Peso despus de la inmersin (gr) 18989 17762 17107

Datos tomados para la expansin y contraccin del suelo a lo largo de las 96 horas de inmersin.

Lecturas de Deformmetro Molde No. 27 24 33 Da 0 76 155 47 Da 1 80 157 53 Da 2 79 153 49 Da 3 No se tomaron datos Da 4 80 152 51

Como era de esperarse, al iniciar el proceso de humedecimiento, el suelo comienza a incrementar su volumen, presentando hinchamiento, razn por la cual es necesario poner la sobrecarga de forma que se logre mantener un rango que no oscile de manera abrupta. Revisando las lecturas realizadas durante los 4 das, se observa que las muestras presentan unas variaciones, tanto de aumento como de disminucin de sus dimensiones, lo que indica que la sobrecarga que se mantuvo constante durante esos cuatro das cumple esa funcin, regular esa deformacin axial de la muestra de forma que no se tengan variaciones demasiado fuertes Luego de sacar los moldes del tanque, se fallaron en una prensa mecnica cada una de las muestras. En este equipo se realizaron lecturas de deformacin (para instantes de tiempo especficos) y de un anillo de carga.

Finalizada la etapa de carga, se extraa material para determinar la humedad, a continuacin se encuentran los valores correspondientes y el clculo de la humedad.

Pesos de los Moldes Molde No. 27 24 33 Peso suelo hmedo + recipiente (gr) Peso seco + Peso recipiente recipiente (gr) (gr) Humedad

235 220.15 379.9

216 205 346

37.15 37 37.38

10.62% 9.02% 10.98%

CLCULOS Y ANALISIS DE RESULTADOSPara determinar las fuerzas aplicada por el pistn de carga, se realiza por medio de la siguiente expresin, la cual relaciona la lectura del dial del anillo de carga:

Donde y es la carga aplicada medida en lb y x est en 1x10-4 pulgadas. Se interrelaciona la penetracin con respecto al esfuerzo aplicado por el pistn de carga, se aplica un factor de conversin de 0.2323, el cual es el factor de conversin de libras a kilogramos dividido entre el rea del pistn en cm2 (0,4536/19,53) y se obtiene el esfuerzo en [kg/cm2]. A continuacin se muestran los datos tomados durante la prctica:

12 GolpesPenetracion Penetracin tiempo(sg) (pulg) (mm) lectura anillo Fuerza Fuerza(N) ( lbf) Esfuerzo (lbf/pulg2) MPa CBR

PROBETA # 33

0.005 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150 0.200 0.300 0.400 0.500

0.127 0.635 1.27 1.905 2.54 3.175 3.81 5.08 7.62 10.16 12.7

00:06 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 04:00 06:00 08:00 10:00

6 10 12 15 18 25 30 33 38 60 67

59.39 98.02 117.33 146.31 175.30 242.95 291.29 320.30 368.67 581.65 649.48

264.18 436.00 521.93 650.83 779.77 1080.70 1295.73 1424.78 1639.92 2587.31 2889.02

19.84 32.74 39.19 48.87 58.55 81.14 97.29 106.98 123.13 194.27 216.92

0.14 0.23 0.27 0.34 0.40 0.56 0.67 0.74 0.85 1.34 1.50

5.85

7.13

25 GolpesPenetracion Penetracin( tiempo(sg) (pulg) mm) lectura anillo Fuerza Fuerza(N) ( lbf) Esfuerzo (lbf/pulg2) MPa CBR

PROBETA # 24

0.005 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150 0.200 0.300 0.400 0.500

0.127 0.635 1.27 1.905 2.54 3.175 3.81 5.08 7.62 10.16 12.7

00:06 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 04:00 06:00 08:00 10:00

2.5 16 43 74 115 173 226 265 412 600 880

25.60 155.97 417.05 717.33 1115.36 1680.13 2197.95 2580.06 4028.40 5899.39 8724.84

113.87 693.81 1855.12 3190.86 4961.37 7473.57 9776.97 11476.65 17919.23 26241.80 38810.00

8.55 52.09 139.29 239.59 372.52 561.15 734.10 861.72 1345.47 1970.37 2914.05

0.06 0.36 0.96 1.65 2.57 3.87 5.06 5.94 9.28 13.59 20.09

37.25

57.45

56 GolpesPenetracion Penetracion tiempo(sg) (pulg) (mm) lectura anillo Fuerza Fuerza(N) ( lbf) Esfuerzo (lbf/pulg2) MPa CBR

PROBETA # 27

0.005 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150 0.200 0.300 0.400 0.500

0.127 0.635 1.27 1.905 2.54 3.175 3.81 5.08 7.62 10.16 12.7

00:06 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 04:00 06:00 08:00 10:00

14 35 54 90 137 201 230 300 445 510 800

136.65 339.65 523.54 872.54 1329.35 1953.49 2237.10 2923.74 4355.31 5001.09 7912.82

607.86 1510.83 2328.81 3881.26 5913.23 8689.54 9951.11 13005.43 19373.36 22245.95 35197.98

45.64 113.44 174.86 291.42 444.00 652.45 747.18 976.51 1454.65 1670.34 2642.84

0.31 0.78 1.21 2.01 3.06 4.50 5.15 6.73 10.03 11.52 18.22

44.40

65.10

Se grafica la penetracin dada en mm con respecto a la presin en (Mpa), para determinar la presin impartida por el pistn a una penetracin de 2.54mm y 5.08mm de la siguiente manera:

Ninguna de las curvas presenta un punto inflexin por lo tanto se toman de la curva los valores de presin correspondientes a 2.54 y 5.08 mm. (0.1 y 0.2) de penetracin

PENETRACIN (Pulg.) 0,1 0,2

ESFUERZO (Lb/pulg^2) 12 golpes 25 golpes 56 golpes 58.55 106.98 372.52 361.72 444.00 976.51

ESFUERZO DE REFERENCIA(Lb/pulg^2) 1000 1500

CBR 12 golpes 25 golpes 56 golpes 5.85 7.13 37.25 57.45 44.4 65.1

A partir de las indicaciones dadas en la norma del ensayo E-148 del INVIAS, tomamos como CBR de la probeta, el valor correspondiente a la deformacin de 0.2 ya que este valor en todos los casos fue mayor que el presentado en 0.1 y no es posible en esta ocasin repetir el ensayo para buscar una comprobacin de los resultados, por tanto el CBR para cada una de las condiciones que presentaba cada probeta con respecto a su humedad, densidad y energa de compactacin es:

CBR 12 golpes 7 25 golpes 57 56 golpes 65

Como se observa, el valor del CBR tiene muchos elementos que lo caracterizan y producen grandes diferencias en los resultados. Dentro de estas la ms importante ser la energa con que se lleva a cabo la compactacin del material. Se observa en las grficas que al tener una energa mayor, el valor del CBR se incrementa notoriamente, por ejemplo para una energa de 12400 lb in /in3 se produjo un CBR de 6% para 2.54mm y 7% para 5.08mm, mientras que para 26400 lb in /in3 se obtuvieron CBR de 37 y 57% . Esta condicin est ntimamente ligada a la densidad y cohesin entre partculas; teniendo mayores energas de compactacin se logran mayores densidades, lo que quiere decir que hay menos espacios vacos y un mejor confinamiento, en estas condiciones el suelo tiene menos posibilidades de deformarse ya que no tiene forma de cambiar su volumen tan fcilmente. Para el caso en particular de la probeta # 33 para la cual se realizaron 12 golpes por capa, hubo un problema en el montaje de la muestra antes de ser sumergida puesto que esta no se enraso lo suficiente (por eso el peso superior de la muestra antes de sumergirse), este procedimiento errneo provoco fallas en el proceso de la penetracin dando por resultado valores de penetracin abruptos y lejos de la tendencia que se esperaba con los resultados para las probetas de 25 y 56 golpes; muy seguramente el espacio entre el molde y la base permiti el paso de agua a la muestra y modifico notoriamente las caractersticas de la muestra saturndola en mayor proporcin que las otras dos muestras y disminuyendo la presin existente entre las partculas de suelo.

Calculo de la densidad seca: Volumen de los recipientes: Molde No. 27 Medicin No.h(cm) (cm)

111.45 13.5

211.5 15.4

311.45 15.3

Promedio11.5 14.7

Volumen1951.74 cm3

Molde No. 24 Medicin No.h(cm) (cm)

111.59 15.4

211.6 15.5

311.6 15.4

Promedio11.6 15.4

Volumen2160.7 cm3

Molde No. 33 Medicin No.h(cm) (cm) Densidad hmeda:

111.59 15.4

211.6 15.5

311.6 15.4

Promedio11.6 15.4

Volumen2160.7 cm3

Densidad seca:

A continuacin los valores de densidad seca obtenidos:

Molde # 27 24 33

Volumen (cm3) 1951.74 2160.7 2160.7

Peso molde + suelo hmedo compactado (gr) 9565 9013 9298

Peso molde densidad hmeda (gr) (gr/cm3) 4738 4375 4808 7.33 6.20 6.53

Densidad seca (gr/cm3) 11,02 10,67 10,36

CONCLUSIONES En los resultados se observa claramente que la muestra que fue compactada con 56 golpes es la que mejor resultado arroja ya que se redujo la relacin de vacos que existe en la muestra, aumento la densidad y por lo tanto el suelo se comporta de una manera ms homognea y resistente. Con esta energa de compactacin se obtienen resultados ptimos para uso de este suelo como base ya que cumplira con las especificaciones para soportar carga. Es evidente que la compactacin en el diseo de una estructura de pavimento asegura la vida til de este y su correcto funcionamiento Se debe tener en cuenta que este ensayo se realiza con parmetros controlados de humedad y densidad y se controla la energa de compactacin buscando llegar a un resultado parecido a una situacin in situ. El agua sigue siendo un factor determinante en el comportamiento de los materiales en la ingeniera.

RECOMENDACIONES

Asegurar apropiadamente las probetas de CBR para evitar prdida de material en el momento de realizar la inmersin. Enrasar muy bien los moldes antes de ser sumergidos para evitar filtraciones significativas en la muestra para evitar alteraciones en los resultados.

Tener claridad en el manejo de los equipos, previamente al ensayo, con el fin de evitar malentendidos y discrepancias a la hora del manejo de los datos, para la determinacin del ndice de CBR. Es necesario realizar el procedimiento rpidamente con el fin de tratar de mantener la humedad optima (calculada con anterioridad) la larga manipulacin puede alterar la humedad requerida.

BIBLIOGRAFA

MONTEJO FONSECA, Alfonso. Ingeniera de Pavimentos para Carreteras. Universidad Catlica de Colombia Ediciones y publicaciones. Bogot. 1998. Pg. 64, 68.

INVIAS, 2007. Ensayo de Proctor modificado. I.N.V.E -142.

INVIAS, 2007. Relacin de soporte del suelo en el laboratorio (CBR de laboratorio). I.N.V.E -148 - 07.