Profesor :Sara Ojeda Herrera

DETERMINACIÓN ENSAYO CAPACIDAD DE SOPORTE DEL SUELO- (CBR)

GENERALIDADESLa capacidad de soporte es una de las propiedades más importantes de los suelos. Su comportamiento, al estar sometido a tensiones es bastante más complejo que el de otros materiales. Las deformaciones que experimenta no sólo dependen del “tipo de suelo” que se trate, sino también del estado en que se encuentre éste en cuanto a su contenido de humedad, grado de compacidad, estructura interna, etc. por otra parte, el suelo subyacente a una fundación puede presentar heterogeneidades de importancia, acusando grandes variaciones de resistencia según la dirección de aplicación de las tensiones (anisotropía).

Finalmente, las deformaciones que experimente un suelo deben necesariamente relacionarse con la estructura solicitante, ya que ciertos órdenes de magnitud pueden ser tolerables para algunas construcciones y prohibitivos para otras.

Cuando un suelo es sometido a tensiones, sufre una determinada deformación. Si alcanza el valor límite de su resistencia, el suelo sufre una rotura por corte o falla por corte. Desde el punto de vista de la mecánica de suelos, interesa tanto tener un adecuado factor de seguridad a la falla por corte como que la estructura solicitante no sufra una deformación tal que le produzca daños.

Si se aplican presiones sobre superficies de carga de diferentes formas y dimensiones, en un determinado suelo, se obtienen distintos gráficos de relación tensión – deformación. Aquí interviene un nuevo factor que es la forma y dimensión del área cargada, pues, la resistencia de un suelo varía con respecto a la forma, dimensiones, velocidad de aplicación de carga y de la deformación del suelo.

A medida que aumentan los esfuerzos, si se llega al momento en que el suelo se rompe o sigue

deformándose con un pequeño o ningún esfuerzo, se dice que el suelo falla por corte. Por eso que todo los métodos destinados a determinar la capacidad de carga de un suelo, se basan en el esfuerzo cortante directa o indirectamente.

La complejidad del problema lleva a la siguiente definición de capacidad de soporte : capacidad de soporte de un suelo es la carga por unidad de área, para una superficie de forma y dimensiones determinadas, que no produce más que un asentamiento previsto.

Los ensayos usados para medir las propiedades resistentes de los suelos pueden clasificarse en tres grandes grupos.

ensayo de corteensayo de carga

ensayo de penetración ensayo de corte:Estos ensayos determinan las propiedades en un punto de la masa del suelo y se ejecutan normalmente en muestras inalteradas relativamente pequeñas. A través de ellos se determinan fundamentalmente la cohesión y el ángulo de fricción interna. Estos valores se utilizan para calcular los valores máximo de rotura. Los ensayos más usuales son de corte directo, compresión no confinada y triaxial, que se verán más adelante.

ensayo de carga:Los ensayos de carga se efectúan generalmente en terreno (in situ) y sobre la superficie del suelo. Sus resultados abarcan una zona mayor que la anterior y permiten obtener un valor de conjunto de resistencia del suelo en la zona de influencia.

En obras viales, se usa una prueba de carga con una placa circular rígida de diámetro que varían entre 150 mm a 760 mm. La relación entre la presión aplicada y la deformación vertical recibe el nombre de Módulo de reacción del suelo “K”, que se expresa en kg/cm3.

Como esta relación no queda representada por una línea recta, se elige un valor de penetración de referencia de 1,25 mm (0,05”) para calcular el valor de K.

La deflexión para determinar el modulo de reacción será determinada sobre la curva corregida del gráfico carga-deformación.

Se deben aplicar tres correcciones a la información registrada durante el ensaye, que se deben a: trazado de la curva carga-deformación, flexión de las placas de ensaye y suelo cohesivo parcialmente saturado. En el acápite 18 se estudia este ensayo.

ensayos de penetración:Este tipo de ensayos determinan, al igual que los ensayos de corte, las propiedades en un punto de la masa de suelo. Pueden ser efectuados tanto en terreno (in situ) como en laboratorio. Los resultados de los ensayos de penetración están, en general, relacionados con experiencias sobre el comportamiento de suelos semejantes. Tal es el caso de los métodos empíricos usados en diseño de espesores de pavimentos de caminos y aeropuertos. También puede usarse los datos de penetración para establecer relaciones con la cohesión y la fricción del suelo.

Un caso particular de ensayo de penetración, ampliamente usado en obras viales, es el Ensayo California, denominado comúnmente como CBR (California Bearing Ratio). Para este ensayo se emplea una muestra de suelo de 150 mm de diámetro y 116 mm de altura, compactada en un molde cilíndrico de acero. Antes de realizar el ensaye generalmente se satura para simular las condiciones más desfavorables en cuanto a drenaje de un camino y para determinar su posible expansión. Junto con la saturación y durante la penetración, se somete la muestra a una presión (sobrecarga) igual a la que producirá el futuro pavimento.

En este ensayo se mide la carga necesaria para hacer penetrar un pistón de 50±5 mm de diámetro en una masa de suelo compactada en un molde cilíndrico de acero, a una velocidad de 1,27 mm/min, para producir deformaciones de hasta 12,7 mm (1/2”). Esta carga se relaciona con una carga estándar y el resultado final se expresa en porcentaje. La curva de comparación se llama curva patrón y corresponde a un chancado normalizado al cual se le asigna un valor CBR de 100%.La expresión que define al CBR, es la siguiente:

CBR = (carga unitaria del ensayo / carga unitaria patrón) · 100 ( %)

De la ecuación se puede ver que el número CBR, es un porcentaje de la carga unitaria patrón. En la práctica el símbolo de (%) se quita y la relación se presenta simplemente por el número entero.Se deben confeccionar como mínimo tres probetas con distinta energía de compactación, de tal manera que la densidad a la cual se desee determinar el CBR, quede entre dos probetas. Generalmente se utilizan probetas compactadas con 56, 25 y 10 golpes. Si la densidad a la cual se desea determinar el CBR es menor que la del molde de 10 golpes, se debe confeccionar otra probeta con menor energía (por ejemplo 5 golpes).

2 DETERMINACIÓN DE LA RAZON DE SOPORTE CALIFORNIA (CBR) Este método establece el procedimiento para determinar un índice de resistencia de los suelos, conocido como Razón de Soporte de California (CBR; California Bearing Ratio) El ensaye se realiza normalmente a suelos compactados en laboratorio, con la humedad óptima y niveles de energía variables. Este método se utiliza para evaluar la capacidad de soporte de suelos de subrasante, como también de materiales empleados en la construcción de terraplenes, subbases, bases y capas de rodadura granulares.

o obstante que originalmente el método fue diseñado para evaluar el soporte de suelos de tamaño máximo ¾” (20 mm), el ensaye es aplicable a todos aquellos suelos que contengan una cantidad limitada de material que pasa por el tamiz de 50 mm y es retenido en el tamiz de 20 mm.

nota1: cuando el tamaño máximo absoluto del material en estudio sea superior a 20 mm, el peso retenido en este tamiz se reemplazará por uno equivalente de material de la misma muestra que pasa por 20 mm y es retenido en 5 mm.

2.1 OBJETIVO DEL ENSAYEDeterminar la capacidad de soporte de un suelo en el laboratorio, preparando tres probetas de suelo con la misma humedad y con niveles de energía variables.

2.2 NORMA A UTILIZAREl ensayo se basa en la norma NCh. 1852 Of. 81 (LNV 92 – 85)

APARATOS Y EQUIPOSprensa de ensaye, conformada por un marco de carga con capacidad mínima de 44,5 KN (10.000 lbf) y una gata mecánica capaz de desplazar una base metálica rígida a una velocidad uniforme y sin pulsaciones, de 1,27 mm/min, contra el pistón de penetración. Este último debe estar equipado con un dispositivo indicador de carga de una capacidad mínima de 26,7 KN (6.000 lbf), que permita registrar lecturas con una resolución mínima de 50 N. El pistón debe llevar, además, sujeto a él, un dial de penetración graduado en milésimas de pulgadas (0,025 mm) (ver Figura Nº 1)molde metálico cilíndrico (152,4 ± 0,7 mm de diámetro y 177,8 ± 0,5 mm de altura) deben tener un collar de

extensión metálico de 50,8 mm de altura y una placa base metálica de 9,5 mm de espesor con perforaciones de un diámetro menor o igual que 1,6 mm (ver Figura Nº 2)•disco espaciador metálico cilíndrico de 150,8 ± 0.8 mm de diámetro y altura de 61,4 ± 0,2 mm•pisón, de acuerdo a lo especificado en el acápite 9.- •aparato para medir la expansión (hinchamiento) (ver Figuras Nºs 2 y 3) compuesto por:una placa metálica de 149,2 ± 1,6 mm de diámetro, por cada molde. La placa debe tener perforaciones de un diámetro menor o igual que 1,6 mm, y debe estar provista de un vástago ajustable de metal en el centro, con un sistema de tornillo y contratuerca que permita regular y fijar su altura.

•un trípode metálico por cada molde, cuyas patas puedan apoyarse en el borde de éste, y que lleve montado en el centro un calibre comparador con indicador de dial, con resolución de lectura 0,025 mm. El vástago debe desplazarse libremente y coincidir con el de la placa, de forma tal que permita controlar la posición de ésta y medir el hinchamiento.· un dial para medir expansión, por cada molde, con resolución de lectura 0,025mmcargas, para cada molde se debe disponer de una carga metálica anular y varias ranuradas de 2,27 ± 0,05 kg cada una. La carga anular, de diámetro exterior de 149,2

± 1,6 mm, debe disponer de una perforación u orificio en el centro de aproximadamente 54 mm de diámetro. pistón de penetración, metálico cilíndrico, de 49,6 ± 0,1 mm de diámetro y una longitud no inferior a 101,6 mmherramientas y accesorios; deposito de capacidad suficiente para la inmersión de los moldes en agua, horno, balanzas de 20 kg y 2 kg, tamices, pailas, recipientes, probetas, poruñas, espátulas, reglas, brochas, discos de papel filtro, cronometro, etc.

PREPARACIÓN DE LA MUESTRAsecar la muestra al horno a temperatura menor a 60ºC (disgregar terrones en caso necesario)preparar tres pailas con 7000 g de suelo seco de acuerdo al método B o D del Proctor Modificadonota2: previo al ensaye de CBR debe determinar el contenido óptimo de humedad y la densidad máxima compactada seca (DMCS) del material de acuerdo con el método indicado en el acápite 9, según corresponda.

Nota3: el procedimiento usado en esta guía está pensado para el control de las distintas capas que compone un camino, y por lo tanto, cada capa debe prepararse de acuerdo a un método de compactación, en este caso particular se ha escogido el Proctor Modificado y por ende la humedad de confección es la humedad óptima.Para estudios de proyectos, los CBR deben realizarse con la humedad propia de terreno y con energías variables

PROCEDIMIENTO DE ENSAYE

agregar agua según contenido de humedad óptima a cada una de las tres pailas de suelo en función de la masa y mezclar homogéneamentecolocar la mezcla en un depósito tapado por un periodo de media hora o más, según el tipo de suelo, para obtener una distribución uniforme de humedadpara cada molde realice los pasos siguientes:

•colocar el disco espaciador sobre la placa base y fijar el molde•colocar un disco de papel filtro sobre el espaciador•compactar cada una de las cinco capas de suelo húmedo en el molde, escarificando cada capa antes de realizar la siguiente •a cada molde se le aplican diferentes energías (golpes), por ejemplo 56, 25 y 10 golpes, de tal manera que la densidad en la cual se desee determinar la razón de soporte quede en un rango de 90% a 100% de la densidad máxima obtenida por el ensaye de Proctor Modificado•colocada la última capa se procede a sacar el collarín y enrasar cuidadosamente la muestra de cada molde•

•rellenar con material bajo malla 5 mm (tamiz Nº 4) cualquier hueco que pueda haber quedado en la superficie•obtener la humedad del material al inicio y final del proceso de compactación. Cada muestra para contenido de humedad debe pesar como mínimo 100 g para suelos finos y 500 g para suelos granularessacar la placa base perforada y el disco espaciador y pesar el molde con el suelo compactadodetermine la densidad de la muestra antes de inmersión (ρ) dividiendo la masa de suelo compactado (m) por la capacidad volumétrica del molde (v);(no olvidar restar el volumen del disco espaciador)

ρ = m/v ; registre, aproximando el resultado a 0,01 g /cm3

colocar un disco de papel filtro sobre la superficie enrasada, invierta el molde y fíjelo a la placa base perforada, con el suelo compactado en contacto con el papel filtroNota 4: cuando hay riesgo de disgregación del suelo compactado en el molde, éste debe pesarse junto con la placa base colocar el vástago ajustable con placa perforada sobre la probeta de suelo compactado y aplique las cargas hasta una sobrecarga igual a la ejercida por la estructura del pavimento sobre el material en estudio, redondeando a múltiplos de 2,27 kg (5lb). En ningún caso debe ser menor que 4,54 kg (10lb).

si la muestra va a ser sometida a inmersión, coloque los moldes con sus respectivas cargas en el recipiente sin agua y acomode el aparato de expansión a cada uno de los moldes, tomando lecturas iniciales de expansión o hinchamiento. Luego agregue el agua lentamente para no producir movimientos que desajusten el trípode de expansión, permitiendo el libre acceso de ésta a las probetas, las que debe dejar sumergidas dejar saturando el material por el periodo correspondiente al tipo de suelo, con su respectivo dial para medir el hinchamiento o expansión en cada molde (generalmente por 96 horas, pero si se trata de suelos de grano fino o suelos

granulares que absorben humedad fácilmente se permite un periodo de inmersión más corto, no menor a 24 horas)al término del periodo de inmersión, tome las lecturas finales de expansión a cada una de las probetas y calcule el porcentaje de expansión refiriendo dichas lecturas a la altura inicial de éstas. e = ∆h / hi · 100 (%) ; ∆h = ( hf - hi )donde: e : % expansión ∆h : expansión o hinchamiento de la probeta (mm) hi : altura inicial de la probeta (mm) (hi = 116,4 mm )

nota5: se comprueba que no hay más hinchamiento, cuando dos lecturas de dial efectuadas con 24 horas de intervalo difieren en menos de 0,03 mm. Durante todo el tiempo de inmersión el nivel de agua se debe mantener constante.saque el agua libre dejando drenar la probeta a través de las perforaciones de la placa base durante 15 min. Cuide de no alterar la superficie de la probeta mientras se extrae el agua, puede ser necesario inclinar la probeta para eliminar el agua superficial.

•retire las cargas y la placa base perforada. Pese el molde con el suelo. Determine la masa de suelo compactado después de la inmersión (mi), restando la masa del molde. Registre aproximando a 1g

•determine la densidad de la muestra después de la inmersión (ρi) dividiendo la masa de suelo compactado (mi) por la capacidad volumétrica del molde (v); no olvidar restar el volumen del disco espaciador.

ρi = mi / v ; registre, aproximando a 0,01g/cm3

PENETRACIÓNAntes de producir la penetración se debe deja drenando la probeta por un periodo mínimo de 15 minutoscolocar sobre la probeta las cargas necesarias para producir una sobre carga igual a la ejercida por el pavimento, redondeando a múltiplos de 2,27 kg (5 lb) [en ningún caso debe ser menor que 4,54 kg, (10 lb), equivalente al peso de un pavimento de hormigón de 5 pulgadas de espesor]si la probeta ha sido previamente sumergida, la sobrecarga debe ser aplicada durante el periodo de inmersión

apoyar el pistón de penetración con la carga más pequeña posible, la cual no debe exceder de 45 Ncolocar los diales de tensión y deformación en ceroaplicar la carga en el pistón de penetración de manera que la velocidad sea de 1,27 mm/min.

Anotar las lecturas de carga en los siguientes niveles de penetración: 0,64 – 1,27 – 1,91 – 2,54 – 3,18 – 3,81 – 4,45 – 5,08 – 7,62 – 10,16 – 12,7 mm .

nota: para equipos con diales en pulgadas estos intervalos corresponden aproximadamente a:

Anotar las lecturas de carga en los siguientes niveles de penetración: 0,025 – 0,050 – 0,075 – 0,1 – 0,125 – 0,150– 0,175 – 0,2 – 0,225 – 0,250 – 0,275 – 0,3 pulgadas

el ensaye debe realizarse hasta alcanzar una penetración mínima de 0,72 mm (0,300”)sacar el suelo del molde y determinar la humedad después de la penetración

EXPRESIÓN DE RESULTADOSgrado de saturación

con la humedad obtenida después de la penetración, determinar el grado de saturación de cada probeta de acuerdo a la siguiente expresión:

S = (ω/e) · (ρs/ρw)donde: S : grado de saturación de la probeta ω : humedad de la muestra después de la

penetración e : índice de huecos ρs : densidad de las partículas sólidas de la

muestra ρw : densidad del agua

curva de tensión – penetracióncalcule las tensiones de penetración en Mpa,

aproximando a un decimal, para lo cual divida las cargas aplicadas (kgf) por el área de la sección transversal del pistón (cm2); luego divida el resultado obtenido por el factor de conversión 10,2

trace la curva de cada molde en un mismo gráfico de tensión – penetración. En algunos casos esta curva puede tomar, inicialmente, la forma cóncava hacia arriba debido a irregularidades de la 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 esta tangente corta a la abscisa. El valor buscado estará desplazado a la derecha en la misma distancia que hay desde el origen hasta la intersección de la curva corregida con la abscisa (ver Figura Nº 4)

razón de soporteEmpleando los valores de tensión corregidos tomados de la curva tensión – penetración para 2,54 mm y 5,08 mm de penetración, calcule las razones de soporte para cada una de ellas, dividiendo las tensiones corregidas por las tensiones normales de 6,9 MPa y 10,3 MPa respectivamente. Cuando en el ensayo no se logre una penetración de 5,08 mm, debe extrapolar la curva hasta dicho valor para calcular la razón de soporte para los suelos del tipo A-1, A-2-4 y A-2-6. la razón de soporte se calcula solo para 5,08 mm de penetración

para los suelos del tipo A-4, A-5, A-6 y A-7, cuando la razón de soporte correspondiente a 5,08 mm resulte mayor que la correspondiente a 2,54 mm, repita el ensaye.

Si el ensaye de chequeo entrega un resultado similar, emplee la razón de soporte correspondiente a 5,08 mm de penetración para los suelos del tipo A-3, A-2-5, A-2-7, informe el mayor porcentaje de CBR obtenido entre los correspondientes a 2,54 y 5,08 mm.

razón de soporte – densidad secaUsando los datos obtenidos para las distintas probetas, dibuje una curva “razón de soporte – densidad seca de compactación”.

Se puede determinar así la razón de soporte correspondiente a una densidad seca preestablecida. (ver Figura Nº 5)

INFORME

El informe deberá incluir la siguiente información:referencia al procedimiento empleado para preparar y compactar las probetasacondicionamiento de la muestra (con o sin inmersión)densidad seca de la muestra antes de la inmersión (g /cm3)densidad seca de la muestra después de la inmersión (g /cm3)

· antes de la compactación (%) · después de la compactación (%) · después de la inmersión (%)

expansión (referida a la altura inicial del molde) (%) razón de soporte de la muestra (%) cualquier información especifica relativa al procedimiento de ensaye o al material la referencia a este método

humedad de la muestra:

CBR