CAMINOS II

EL ENSAYO CBR

El ensayo de C.B.R. (California Bearing Ratio) mide la resistencia al corte (esfuerzo cortante) de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas, la ASTM denomina a este ensayo, simplemente como Relacin de soporte y esta normado con el nmero ASTM D 1883-73.

1.- GENERALIDADES

Se aplica para evaluacin de la calidad relativa de suelos de subrasante, algunos materiales de sub bases y bases granulares, que contengan solamente una pequea cantidad de material que pasa por el tamiz de 50 mm, y que es retenido en el tamiz de 20 mm. Se recomienda que la fraccin no exceda del 20%.

Este ensayo puede realizarse tanto en laboratorio como en terreno, aunque este ltimo no es muy practicado.2.- DETERMINACION DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE CBR DEL SUELO.

La capacidad de soporte es una de las propiedades ms importantes de los suelos. Su comportamiento, al estar sometido a tensiones es bastante ms complejo que el de otros materiales. Las deformaciones que experimenta no slo dependen del tipo de suelo que se trate, sino tambin del estado en que se encuentre ste en cuanto a su contenido de humedad, grado de compacidad, estructura interna, etc. por otra parte, el suelo subyacente a una fundacin puede presentar heterogeneidades de importancia, acusando grandes variaciones de resistencia segn la direccin de aplicacin de las tensiones (anisotropa).

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

Cuando un suelo es sometido a tensiones, sufre una determinada deformacin. Si alcanza el valor lmite de su resistencia, el suelo sufre una rotura por corte o falla por corte. Desde el punto de vista de la mecnica de suelos, interesa tanto tener un adecuado factor de seguridad a la falla por corte como que la estructura solicitante no sufra una deformacin tal que le produzca daos.Si se aplican presiones sobre superficies de carga de diferentes formas y dimensiones, en un determinado suelo, se obtienen distintos grficos de relacin tensin deformacin. Ver fig 1.

Figura 1

Aqu interviene un nuevo factor que es la forma y dimensin del rea cargada, pues, la resistencia de un suelo vara con respecto a la forma, dimensiones, velocidad de aplicacin de carga y de la deformacin del suelo.

A medida que aumentan los esfuerzos, si se llega al momento en que el suelo se rompe o sigue deformndose con un pequeo o ningn esfuerzo, se dice que el suelo falla por corte. Por eso que todos los mtodos 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 lo siguiente:

Capacidad de soporte: capacidad de soporte de un suelo es la carga por unidad de rea, para una superficie de forma y dimensiones determinadas, que no produce ms que un asentamiento previsto.3.- METODO DE ENSAYO

Los ensayos usados para medir las propiedades resistentes de los suelos pueden clasificarse en tres grandes grupos. ensayo de corte ensayo de carga ensayo de penetracin 3.1.- ENSAYO DE CORTEEstos ensayos determinan las propiedades en un punto de la masa del suelo y se ejecutan normalmente en muestras inalteradas relativamente pequeas. A travs de ellos se determinan fundamentalmente la cohesin y el ngulo de friccin interna. Estos valores se utilizan para calcular los valores mximos de rotura. Los ensayos ms usuales son de corte directo, compresin no confinada y triaxial.

3.2.-ENSAYO DE CARGALos ensayos de carga se efectan 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 rgida de dimetro que varan entre 150 mm a 760 mm. La relacin entre la presin aplicada y la deformacin vertical recibe el nombre de Mdulo de reaccin del suelo K, que se expresa en kg/cm3. o confinada y triaxial, que se vern ms adelante. Como esta relacin no queda representada por una lnea recta, se elige un valor de penetracin de referencia de 1,25 mm (0,05) para calcular el valor de K. La deflexin para determinar el mdulo de reaccin ser determinada sobre la curva corregida del grfico carga-deformacin.

Se deben aplicar tres correcciones a la informacin registrada durante el ensayo, que se deben a: Trazado de la curva carga-deformacin, Flexin de las placas de ensaye y Suelo cohesivo parcialmente saturado.

3.3.-ENSAYOS DE PENETRACINEste 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 penetracin estn, en general, relacionados con experiencias sobre el comportamiento de suelos semejantes. Tal es el caso de los mtodos empricos usados en diseo de espesores de pavimentos de caminos y aeropuertos. Tambin puede usarse los datos de penetracin para establecer relaciones con la cohesin y la friccin del suelo.Un caso particular de ensayo de penetracin, ampliamente usado en obras viales, es el Ensayo California, denominado comnmente como CBR (California Bearing Ratio). Para este ensayo se emplea una muestra de suelo de 150 mm de dimetro y 116 mm de altura, compactada en un molde cilndrico de acero. Antes de realizar el ensayo generalmente se satura para simular las condiciones ms desfavorables en cuanto a drenaje de un camino y para determinar su posible expansin. Junto con la saturacin y durante la penetracin, se somete la muestra a una presin (sobrecarga) igual a la que producir el futuro pavimento

En este ensayo se mide la carga necesaria para hacer penetrar un pistn de 505 mm de dimetro en una masa de suelo compactada en un molde cilndrico 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 estndar y el resultado final se expresa en porcentaje. La curva de comparacin se llama curva patrn y corresponde a un chancado normalizado al cual se le asigna un valor CBR de 100%.La expresin que define al CBR, es la siguiente:

CBR = (carga unitaria del ensayo / carga unitaria patrn)*100 (%)

De la ecuacin se puede ver que el nmero CBR, es un porcentaje de la carga unitaria patrn. En la prctica el smbolo de (%) se quita y la relacin se presenta simplemente por el nmero entero.

Se deben confeccionar como mnimo tres probetas con distinta energa de compactacin, 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 energa (por ejemplo 5 golpes).

4.-DETERMINACIN DE LA RAZON DE SOPORTE CALIFORNIA (CBR)Este mtodo establece el procedimiento para determinar un ndice de resistencia de los suelos, conocido como Razn de Soporte de California (CBR; California Bearing Ratio) El ensayo se realiza normalmente a suelos compactados en laboratorio, con la humedad ptima y niveles de energa variables.

Este mtodo se utiliza para evaluar la capacidad de soporte de suelos de subrasante, como tambin de materiales empleados en la construccin de terraplenes, subbases, bases y capas de rodadura granulares.no obstante que originalmente el mtodo fue diseado para evaluar el soporte de suelos de tamao mximo (20 mm), el ensayo 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.

Diferenciamos distintos tipos de CBR en funcin de la calidad de suelos, a saber:

CBR suelos inalterados.

CBR suelos remoldeados.

CBR suelos gravosos y arenosos.

CBR suelos cohesivos poco o nada plsticos.

CBR suelos cohesivos plsticos.

Este procedimiento puede efectuarse en terreno compactado.

Este procedimiento mide la carga necesaria para penetrar un pistn de dimensiones determinadas a una velocidad previamente fijada en una muestra compactada de suelo despus de haberla sumergido en agua durante cuatro das a la saturacin ms desfavorable y luego de haber medido su hinchamiento.

ENSAYO DEL CBR

El nmero CBR se obtiene como la relacin de la carga unitariaen Kilos/cm2 (libras por pulgadas cuadrada, (psi)) necesaria para lograr una cierta profundidad de penetracin del pistn (con un rea de 19.4 centmetros cuadrados) dentro de la muestra compactada de suelo a un contenido de humedad y densidad dadas con respecto a la carga unitaria patrn requerida para obtener la misma profundidad de penetracin en una muestra estndar de material triturada, en ecuacin, esto se expresa:

CBR = (carga unitaria del ensayo / carga unitaria patrn)*100 (%)Los valores de carga unitaria que deben utilizarse en la ecuacin son:

PenetracinCarga unitaria patrn

mmPulgadaMpaKg/cm2psi

2,540,16,9070,001000

5,080,210,30105,001500

7,620,313,10133,001900

10,160,415,80162,002300

12,70,517,90183,002600

Tabla: Valores de Carga UnitariaEl nmero CBR usualmentese basa en la relacin de carga para una penetracin de 2.54 mm (0,1), sin embargo, si el valor del CBR para una penetracin de 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 al contenido de humedad ptimo para el suelo especfico, determinado utilizando el ensayo de compactacin estndar. A continuacin, utilizando los mtodos 2 o 4de las normas ASTM D698-70 D1557-70 (para el molde de 15.5 cm de dimetro), se debe compactar muestras utilizando las siguientes energas de compactacin:

MtodoGolpesCapasPeso del martillo N

D6982 (suelos de grano fino)56324,5

4 ( suelos gruesos)56324,5

D15572 (suelos de grano fino)56544,5

4 (suelos gruesos)56544,5

Tabla: Energas de Compactacin

El ensayo de CBR se utiliza para establecer una relacin entre el comportamiento de los suelos principalmente utilizados como bases y subrasantes bajo el pavimento de carreteras y aeropistas, la siguiente tabla da una clasificacin tpica:

CBRClasificacin generalusosSistema de Clasificacin

UnificadoAASHTO

0 - 3muy pobresubrasanteOH,CH,MH,OLA5,A6,A7

3 - 7pobre a regularsubrasanteOH,CH,MH,OLA4,A5,A6,A7

7 - 20regularsub-baseOL,CL,ML,SCA2,A4,A6,A7

SM,SP

20 - 50buenobase,subbaseGM,GC,W,SMA1b,A2-5,A3

SP,GPA2-6

> 50excelentebaseGW,GMA1-a,A2-4,A3

Tabla: Clasificacin de suelos para Infraestructura de Pavimentos

Existen algunos mtodos dediseo de pavimentos en los cualesse leen tablas utilizando directamente el nmero CBR y se leeel espesor de la subrasante (por ejemplo Principios de diseo de pavimentos, Jhon Wiley & Sons, 1959, Capitulo 14 y 15).EQUIPO NECESARIO-Prensa de Ensayo- Molde

- Disco espaciador

- Pisn

- Cargas

- Pistn de penetracin

- Aparato para medir expansin

PROCEDIMIENTOA. Muestras-Lasmuestras deben prepararsede acuerdo con la NP 1534/1 1534/2. Se debe indicar en el informe el mtodo empleado.

-Obtener dos o ms muestras de ensayo representativas con un tamao de aproximadamente 4.5 kg. En el caso de suelo fino y de 5.5 kg en el caso de suelos granulares, y mezclar homogneamente con agua.

B. Preparacin de las probetas- Si las muestras de ensayo van a ser sometidas a inmersin, sacar una muestra representativa del material para determinar su humedad (igual o mayor a 100 g para suelos finos y de 500 g para suelos granulares) al indicar la compactacin y otra muestra de material restante, despus de efectuarse la compactacin.

- Si las muestras no se van a someter a inmersin, obtener la muestra para la determinacin de humedad de una de las caras cortadas despus de efectuarla penetracin, y para ello sacar la humedad de la capa superior en un espesor de 25 mm.

- Si se desea determinar la humedad promedio sacar una muestra que comprenda toda la altura del molde.

- Colocar el disco espaciador sobre la placa base. Fijar el molde, con su collar de extensin, sobre dicha placa y colocar un disco de papel filtro grueso sobre el espaciador. Compactar el suelo hmedo en el molde de acuerdo al proctor con el fin de obtener la humedad optima(Wop) y la densidad mxima (dmax). Generalmente se utilizan como mnimo 3 muestras con 56, 25 y 10golpes.

- Retirar el collar de extensin y enrasar cuidadosamenteel suelo compactado con la regla al nivel del borde del molde. Rellenar con material de tamao menor cualquier hueco que pueda haber quedado en la superficie por la eliminacin de material grueso.

- Sacar la placa base perforada y el disco espaciador y pesar el molde con el suelo compactado. Restar el peso del molde determinando la masa del suelo compactado (M).

- Determinar la densidad de la muestra antes de la inmersin, dividiendo la masa de suelo compactado por la capacidad volumtrica del molde (v).

muestra=M(g/cm3)

V

- Colocar un disco de papel filtro grueso sobre la base perforada, invertir el molde y fijarlo a la placa base, con el suelo compactado en contacto con el papel filtro.

- Colocar el vstago ajustable y la placa perforada sobre la probeta de suelo compactado y aplicarlas cargas hasta producir una sobrecarga, redondeada en mltiplos de 2.27 kg y mayor o igual a 4.54 kg.

- Si la muestra va a ser sometida a inmersin, colocar el molde con las cargas en agua, permitiendo el libre acceso del agua a la parte superior e inferior de la probeta. Tomar mediciones iniciales para la expansin o asentamiento y dejar la probeta en remojo durante 96 hrs. Mantener la muestra sumergida a un nivel de agua constante durante este periodo.

- Al trmino del periodo de inmersin tomar las mediciones finales de la expansin y calcularla como un porcentaje de la altura inicial de la probeta.

% expansin =expansin (mm) 116.4

-Sacar el agua libre dejando drenar la probeta a travs de las perforaciones de la placa base durante 15 min. Cuidar de no alterar la superficie de la probeta mientras se saca el agua superficial.

- Retira las cargas y la placa base perforada, pesar el molde con el suelo. Restar la masa del molde determinando la masa del suelo compactado despus de la inmersin (Mi).

- Obtener la densidad correspondiente, dividiendo la masa de suelo compactado por la capacidad volumtrica del molde (v):

i =Mi V

C. Penetracin-Colocar sobre la probeta, la cantidad suficiente de cargas para producir una sobrecarga igual a la ejercida por el material de base y el pavimento, redondeando a mltiplos de 2.27 kg y que en ningn caso debe ser menor que 4.54 kg. Si la probeta ha sido previamente sumergida, la sobrecarga debe ser igual a la aplicada durante el periodo de inmersin.

- Para evitar el solevantamiento del suelo en la cavidad de las cargas ranuradas se coloca en primer lugar la carga anular sobre la superficie del suelo, antes de apoyar el pistn de penetracin, y despus se colocan las cargas restantes.

- Apoyar el pistn de penetracin con la carga mas pequea posible, la cualno debe exceder en ningn caso 45 N (4.5 Kgf). Colocar los calibres de tensin y deformacin en cero.

- Esta carga inicial se necesita para asegurar un apoyo satisfactorio del pistn y debe considerarsecomo carga cero para la determinacin de la relacin carga-penetracin.

- Aplicar la carga del pistn de penetracin de manera quela velocidad de penetracin sea 1.25 (mm/min) en aquellos suelos donde se demuestrea travs de ensayos comparativosque el cambio de velocidad no altera los resultados del ensayo.

- Anotar las cargas para las penetraciones mostradas en la tabla.

PenetracionesCargas

Velocidad de penetracin

1,25 (mm/min)1 (mm/min)1 (mm/min)

(mm)(pulg)(mm)

0,630,0250,5P1

1,250,051P2

1,90,0751,5P3

2,50,12P4

3,10,1252,5P5

3,750,153P6

4,40,1753,5P7

50,24P8

7,50,34,5P9

100,45P10

12,50,57,5P11

--10P12

--12P13

Tabla: Valores de Penetracin

RESULTADOSCurvas de tensin penetracin- Calcular las tensiones de penetracin en Mega Pascales (MPA) o en (Kg/cm2).

- Para ello se trazala curva en un grfico tensin penetracin.

- La curva puede tomar, ocasionalmente, la forma cncava 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 abcisa.

- Obtener De la curva los valores de las tensiones necesarias para lograr una penetracin de 0.1 y 0.2.

- Las curvas de tensin penetracin se dibujan en un mismo grafico para los distintos nmeros de golpes.

RAZN DE SOPORTE (CBR)-El valor del CBR es la relacin expresada en porcentaje entre la carga real, que produce una deformacin establecida y la que se requiere para producir igual deformacin establecida y la que se requiere para producir igual deformacin en un material chancado y normalizado, se expresa por la relacin:

CBR = (P / Pi)*100 P : Carga obtenida en el ensayo

Pi: Carga unitaria normalizada

Las cargas normalizadas se dan en la tabla que sigue:PENETRACIONTENSIONES NORMALIZADAS MPaTENSIONES NORMALIZADAS MPa

2.546.970

5.0810.3105

7.6213.1133

10.1615.8162

12.717.9183

Tabla: Penetracin Tensiones normalizadas

Para los suelos del tipo A1; A14 y A26, la razn de soporte se calcula solo para 5 mm de penetracin (0.2 pulgadas).Para suelos del tipo A 4; A 5; A 6 Y A 7, cuando la razn correspondiente a 5 mm es mayor que a 2,5 mm, confirmar el resultado, en caso de persistencia, la razn de soporte corresponder a 5 mm de penetracin.Para suelos del tipo A 3; A 2 5 Y A 2 7, el procedimiento a aplicarqueda al criterio del ingeniero.

Con el resultado del CBR se puede clasificar el suelo usando la tabla V.20.CBRCLASIFICACION

0 - 5Subrasante muy mala

5 10Subrasante mala

10 20Subrasante regular a buena

20 30Subrasante muy buena

30 50Subbase buena

50 80Base buena

80 - 100Base muy buena

Tabla: Clasificacin del suelo de acuerdo al CBRCuando se requiere conocer los efectos de preconsolidacin natural, estructura de suelo, cementacin natural, estratificacin, que son aspectos que no pueden producirse con muestras remoldeadas de suelo ni conmuestras supuestamente inalteradas que se ensayen en laboratorio, se recomienda efectuar el ensaye CBR in situ, siempre que el terreno natural est en las condiciones mas criticas en le momento de efectuar la prueba. El procedimiento que se sigue en esta prueba es similar al establecido en los items anteriores, con la diferencia que en este caso, la muestra no esta confinada en un molde.Es condicin que en el lugar que se realice el ensaye no existan particulas superiores al tamiz 20 mm (3/4). La preparacin del terreno requiere enrasar y nivelar un area de 30 cm de diametro, para posteriormente colocar las sobrecargas estipuladas.

El informe final del ensayo debera incluir, ademas del CBR determinado, la curva de presin penetracin, la humedad, peso especifico y densidad natural del suelo ensayado, antecedentes que pueden obtenerse del suelo inmediatamente vecino al que afect el ensaye del CBR.