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• KatherinAguilar

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INFORME CBR

INTRODUCCIÓN. Este ensayo se mostrara el análisis de los resultados de un suelo colombiano que se evaluara en todos los aspectos que nos presenta la norma I.N.V. E – 148 – 07, en que se detallara su índice de resistencia de los suelos denominado relación de soporte de California, que es muy conocido debido a su origen, como CBR (California Bearing Ratio). OBJETIVOS.

-

Conocer las características que definen una subrasante adecuada para ser empleada como fundación de la estructura. - Identificar cuáles son las características de fortaleza de una subrasante y cuáles son las características de debilidad. - Aprender a desarrollar el ensayo de CBR, permiten caracterizar una subrasante. - Aprender a interpretar los resultados de los ensayos realizados e investigados. RESUMEN. El ensayo de CBR en laboratorio se emplea para evaluar la resistencia potencial de materiales de subrasante, subbase y base, incluyendo materiales reciclados para empleo en pavimentos de carreteras y pistas de aterrizaje. El valor de CBR obtenido en esta prueba forma parte integral de varios métodos de diseño de pavimentos flexibles. MARCO TEORICO CBR El ensayo CBR (California Bearing Ratio; Ensayo de relación de soporte de California) mide la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo, con este ensayo se evalúa la calidad del terreno para subrasante, sub base y base de pavimentos. Este ensayo se efectúa bajo condiciones controladas de humedad y densidad. En valor del CBR es uno de los parámetros necesarios obtenidos en los estudios geotécnicos previos a la construcción. Se aplica para la evaluación de la calidad relativa de suelos de subrasante, algunos materiales de sub. bases y bases granulares, que contengan solamente una pequeña cantidad de material que pasa por el tamiz de 50 mm, y que es retenido en el tamiz de 20 mm. Este ensayo puede realizarse tanto en laboratorio como en terreno, aunque este último no es muy practicado. El número CBR se obtiene como la relación de la carga unitaria en Kg. /cm2(libras por pulgadas cuadrada, (psi)) necesaria para lograr una cierta profundidad de penetración del pistón (con un área de 19.4 centímetros cuadrados) dentro de la muestra compactada de suelo a un contenido de humedad y densidad dadas con

respecto a la carga unitaria patrón requerida para obtener la misma profundidad de penetración en una muestra estándar de material triturado, en ecuación, esto se expresa: 𝐶𝐵𝑅 =

𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜 𝑥 100 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑡𝑟ó𝑛

Donde:

tabla No. 1 cargas patrones. Subrasante Subrasante se denomina al suelo que sirve como fundación para todo el paquete estructural de un pavimento. En la década del 40, el concepto de diseño de pavimentos estaba basado en las propiedades ingenieriles de la subrasante. Estas propiedades eran la clasificación de suelos, plasticidad, resistencia al corte, susceptibilidad a las heladas y drenaje. Desde las postrimerías de la década del 50, se puso más énfasis en las propiedades fundamentales de la subrasante y se idearon ensayos para caracterizar mejor a estos suelos. Ensayos usando cargas estáticas o de baja velocidad de deformación tales como el CBR, compresión simple son reemplazados por ensayos dinámicos y de repetición de cargas tales como el ensayo del módulo resiliente, que representan mucho mejor lo que sucede bajo un pavimento en lo concerniente a tensiones y deformaciones. Las propiedades de los suelos pueden dividirse en dos categorías: 1. Propiedades físicas: son usadas para selección de materiales, especificaciones constructivas y control de calidad. 2. Propiedades ingenieriles: dan una estimación de la calidad de los materiales para caminos. La calidad de los suelos para subrasantes se

puede relacionar con el módulo resiliente, el módulo de Poisson, el valor soporte del suelo y el módulo de reacción de la subrasante.

MATERIALES Y EQUIPOS 



  





Prensa – Similar a las usadas en ensayos de compresión, utilizada para forzar la penetración de un pistón en el espécimen. El pistón se aloja en el cabezal y sus características deben ajustarse a las especificadas en la Sección 3.7. Debe tener una capacidad suficiente para penetrar el pistón en el espécimen 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) ó más y la precisión mínima en la medida debe ser de 44N ó menos. Moldes – De metal, cilíndricos, de 152,4 mm ± 0.66 mm (6 ±0.026") de diámetro 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 deberán ser por lo menos 20 uniformemente espaciadas dentro de la circunferencia del molde, no excederán de 1,6 mm (1/16”) de diámetro (Figura 1). La base se deberá poder ajustar a cualquier extremo del molde. Disco espaciador – De forma circular, metálico, de 150.8 ± 0.8mm (5 15/16”± 1/32”) de diámetro y de 61.37 ± 0.25 mm (2.416 ± 0.01") de espesor (Figura 1), para insertarlo como falso fondo en el molde cilíndrico durante la compactación. Martillos de compactación – Como los descritos en las normas INV E – 141 (equipo normal) e INV E – 142 (equipo modificado). Aparato medidor de expansión – compuesto por: 3.5.1 Una placa de metal perforada, por cada molde, de 149.2 + 1.6 mm (5 7/8 ± 1/16”) de diámetro, cuyas perforaciones no excedan de 1,6 mm (1/16") de diámetro. Estará provista de un vástago en el centro con un sistema de tornillo que permita regular su altura. Un trípode cuyas patas puedan apoyarse en el borde del molde, que lleve montado y bien sujeto en el centro un dial (deformímetro), cuyo vástago coincida con el de la placa, de forma que permita controlar la posición de éste y medir la expansión, con aproximación de 0.025 mm(0.001"). Sobrecargas metálicas – 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 diámetro exterior y la anular con 54 mm de diámetro en el orificio central. Pistón de penetración – Cilíndrico, metálico de 49.63 ± 0.13 mm de diámetro (1.954 ± 0.005"), área de 1935 mm² (3 pulg²) y con longitud necesaria para realizar el ensayo de penetración con la s sobrecargas precisas de acuerdo con la Sección 3.6, pero nunca menor de 101.6 mm (4").

    

Dos diales (deformímetros) – Con recorrido mínimo 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 penetración del pistón en la muestra. Tanque – Con capacidad suficiente para la inmersión de los moldes en agua. Horno – Termostáticamente controlado, regulable a 110 ± 5°C (230 ± 9°F). Balanzas – Una de 20 kg de capacidad, y otra de 1000 g con sensibilidades de 5 g y 0.1 g respectivamente. Material diverso de uso general como cuarteador, mezclador, enrasador, cápsulas, probetas, espátulas, discos de papel de filtro del diámetro del molde, etc.

Figura No. 1 prensa.

Figuras No. 2 y 3 molde y disco Espaciadores

Figuras No. 4 y 5 Aparato medidor de expansión y Deformimetro

PROCEDIMIENTO 

Relación de soporte al contenido óptimo de humedad: Normalmente se deben compactar tres especímenes de manera que los límites de sus densidades compactadas sean de 95% (o menos) a 100% (o mayor) de la máxima densidad seca Se ajusta el molde a la placa de base, se une el collar de extensión y se pesa con aproximación a 5 g (0.01 lb). A continuación, se insertar el disco espaciador dentro del molde y se coloca un papel filtro grueso encima del disco. Se mezcla cada una de las tres porciones de 6.8 Kg. (15 lb) con suficiente agua para obtener el contenido de humedad óptimo Se compacta la primera de las tres porciones de la mezcla de suelo -agua en el molde, usando tres capas iguales y el martillo apropiado si la densidad máxima fue determinada por la norma INV E – 141 o cinco capas iguales si la densidad máxima fue determinada por la norma INV E – 142 para obtener una profundidad total compactada de más o menos 125 mm, compactando cada capa con el menor número de golpes seleccionados para obtener una densidad compactada del 95%, o menos, de la densidad máxima.

Se determina el contenido de humedad del material que está siendo compactado, al comienzo y a la terminación de este procedimiento (dos muestras). Cada muestra de humedad deberá tener una masa de, por lo menos, 100 g para suelos de grano fino, y 500 g para suelos de grano grueso. La determinación del contenido de humedad se debe hacer de acuerdo con la norma INV E – 122. Terminada la compactación, se quita el collar y se enrasa el espécimen por medio de un enrasador o cuchillo de hoja resistente y bien recta. Cualquier hueco superficial producido al eliminar partículas gruesas durante el enrase, se rellenará con material sobrante sin gruesos, comprimiéndolo con la espátula. 

Relación de soporte para un rango de contenidos de humedad: Toda la compactación se debe efectuar en los moldes de CBR. Cada espécimen usado para desarrollar las curvas de compactación para 10, 25 y 56 golpes por capa, será penetrado. En casos en los cuales la masa unitaria seca especificada está en o cerca del 100% de la máxima, será necesario incluir un esfuerzo de compactación mayor de 56 golpes por capa.



Inmersión: Se coloca sobre la superficie de la muestra invertida la placa perforada con vástago, y, sobre ésta, los anillos necesarios para completar una sobrecarga tal, que produzca una presión equivalente a la originada por todas las capas de pavimento que hayan de ir encima del suelo que se ensaya, la aproximación quedará dentro de los 2.27 kg (5.0 lb) correspondientes a una pesa. En ningún caso, la sobrecarga total será menor de 4.54 kg. (10lb). Se toma la primera lectura para medir la expansión colocando el trípode de medida con sus patas sobre los bordes del molde, haciendo coincidir el vástago del deformímetro con el de la placa perforada. Se anota su lectura, el día y la hora. A continuación, 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 días) con el nivel de agua aproximadamente constante, aproximadamente 25 mm (1”) por encima de la superficie del espécimen. Se admite también un periodo de inmersión más corto, nunca menor de 24 horas si se trata de suelos granulares que se saturen de agua rápidamente y si los ensayos muestran que esto no afecta los resultados. Para algunos suelos arcillosos puede ser necesario un período de inmersión superior a 4 días. Al final del período de inmersión, se vuelve a leer el deformímetro para medir el hinchamiento. Si es posible, se deja el trípode en su posición, sin moverlo durante todo el período de inmersión; no obstante, si fuera preciso, después de la primera lectura se puede retirar, marcando la posición de las patas en el borde del molde para poderla repetir en lecturas sucesivas. La expansión se calcula como un porcentaje de la altura inicial del espécimen. Después del período de inmersión 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 posición. Se deja escurrir el molde durante 15 minutos en su posición normal y, a continuación, se retiran las

sobrecargas y la placa perforada. Inmediatamente, se pesa y se procede al ensayo de penetración según el proceso descrito en la Sección siguiente. Es importante que no transcurra más tiempo que el indispensable desde cuando se retira la sobrecarga hasta cuando se vuelve a colocar para el ensayo de penetración.



Penetración: Se coloca sobre el espécimen las mismas sobrecargas que tuvo durante el período de inmersión. Para evitar el empuje hacia arriba del suelo dentro del agujero de las pesas de sobrecarga, es conveniente asentar el pistón luego de poner la primera sobrecarga sobre la muestra. Para ello, previamente se ha llevado el conjunto a la prensa y colocado el pistón de penetración en el orificio central de la sobrecarga anular. Después de aplicar la carga de asentamiento se coloca el resto de las sobrecargas alrededor del pistón. Se monta el dial medidor de manera que se pueda medir la penetración del pistón y se aplica una carga de 44 N (10 lb) para que el pistón asiente. Seguidamente, se sitúan en cero los diales medidores, el del anillo dinamométrico, u otro dispositivo para medir la carga, y el de control de la penetración. Para evitar que la lectura de penetración se vea afectada por la lectura del anillo de carga, el control de penetración se deberá apoyar entre el pistón y la muestra o el molde. Se aplica la carga sobre el pistón de penetración mediante el gato o mecanismo correspondiente de la prensa, con una velocidad de penetración uniforme de 1.27 mm (0.05") por minuto. Las prensas manuales no pre paradas para trabajar a esta velocidad de forma automática se controlarán mediante el deformímetro de penetración y un cronómetro. Se anotan las lecturas de la carga para las siguientes penetraciones:

Tabla 2. Penetración.

Finalmente, se desmonta el molde y se toma de los 25 mm (1”) superiores, en la zona próxima a donde se hizo la penetración, una muestra para determinar su humedad. Su masa deberá ser de al menos 100 g si el suelo ensayado es de grano fino y de 500 g si es granular.

DATOS

MOLDE

15 23 9

No. GOLPEES POR CAPA 10 25 56

PESO No. LINEAS MOLDE [gr] 6700 8531 8678

ALTURA DE PESO LA DIAMETRO MOLDE+ MUESTRA [cm] TIERRA [cm] HUMEDA [gr]

96 57 60

11.8 11.5 11.8

15.1 15.2 15

Tabla 3. Datos de especímenes.

NUMERO DE GOLPES PENETRACION [in] 0 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150 0.175 0.200 0.300 0.400 0.500

10

25 0 23 52 69 84 93 104 109 120 135 153 166

CARGA [lb] 0 35 76 120 156 192 216 245 265 340 414 474

56 0 45 96 164 250 328 389 444 492 656 805 940

Tabla 3. Datos de penetración de los especímenes.

10102 12449 12950

No. GOLPEES POR CAPA

MOLDE 162 62 204

PESO PESO SECO PESO SECO MOLDE [gr] [gr] [gr]

10 25 56

6.9 7.0 6.8

42.4 41.0 40.9

34.35 33.7 34.49

Tabla 3. Datos de pesos de los especímenes.

10 Golpes Lectura Lectura inicial final 96 267

EXPANSIÓN 25 Golpes Lectura Lectura inicial final 57 275

56 Golpes Lectura Lectura inicial final 60 272

Tabla 3. Datos de expansión de los especímenes.

CALCULOS I.

Curva de Penetracion-esfuerzo

NUMERO DE GOLPES PENETRACION [in] 0 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150 0.175 0.200 0.300 0.400 0.500

10

25 0 23 52 69 84 93 104 109 120 135 153 166

CARGA [lb] 0 35 76 120 156 192 216 245 265 340 414 474

56 0 45 96 164 250 328 389 444 492 656 805 940

ESFUERZO [lb/in²] 0.000 0.000 7.667 11.667 17.333 25.333 23.000 40.000 28.000 52.000 31.000 64.000 34.667 72.000 36.333 81.667 40.000 88.333 45.000 113.333 51.000 138.000 55.333 158.000

Tabla 4. Datos de cargas en sistema ingles.

0.000 15.000 32.000 54.667 83.333 109.333 129.667 148.000 164.000 218.667 268.333 313.333

NUMERO DE GOLPES PENETRACION [mm] 0 0.64 1.27 1.91 2.54 3.18 3.81 4.45 5.08 7.62 10.16 12.7

10

25

0.000 102.309 231.306 306.926 373.649 413.683 462.613 484.854 533.784 600.507 680.575 738.401

56

CARGA [N] 0.000 155.687 338.063 533.784 693.919 854.054 960.811 1089.809 1178.773 1512.388 1841.555 2108.447

0.000 200.169 427.027 729.505 1112.050 1459.010 1730.350 1975.001 2188.514 2918.019 3580.801 4181.308

ESFUERZO [N/mm²] 0.000 0.000 0.053 0.080 0.120 0.175 0.159 0.276 0.193 0.359 0.214 0.441 0.239 0.497 0.251 0.563 0.276 0.609 0.310 0.782 0.352 0.952 0.382 1.090

Tabla 5. Datos de cargas en sistema internacional.

PENETRACION VS ESFUERZO (10 GOLPES) 0.450 0.400

Esfuerzo[Mpa]

0.350 0.300 0.250 0.200 0.150 0.100 0.050 0.000 0

2

4

6

8

10

12

Pentracion[mm]

Gráfica 1. Penetración vs esfuerzo para 10 golpes.

14

0.000 0.103 0.221 0.377 0.575 0.754 0.894 1.021 1.131 1.508 1.851 2.161

PENETRACION VS ESFUERZO (25 GOLPES) 1.200

Esfuerzo[Mpa]

1.000 0.800 0.600 0.400 0.200 0.000 0

2

4

6

8

10

12

14

Pentracion[mm]

Gráfica 2. Penetración vs esfuerzo para 25 golpes.

PENETRACION VS ESFUERZO (56 GOLPES) 2.500

Esfuerzo[Mpa]

2.000

1.500

1.000

0.500

0.000 0

2

4

6

8

10

Pentracion[mm]

Gráfica 3. Penetración vs esfuerzo para 56 golpes.

12

14

II.

Relación de soporte 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 𝐶𝐵𝑅 =

𝐸𝑠𝑓. 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑛𝑒𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎 2.54 𝑦 5.08 𝑚𝑚 ∗ 100 𝐸𝑠𝑓. 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 2.54 𝑦 5.08 𝑚𝑚

Ejemplo de cálculo: espécimen de 10 golpes 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 𝐶𝐵𝑅 =

0.193 𝑀𝑝𝑎 ∗ 100 6.9 𝑀𝑝𝑎

= 𝟐. 𝟕𝟗 RELACION DE SOPORTE NUMERO DE GOLPES PENETRACION [mm] 2.54 5.08 CBR 

10

25

56

ESFUERZO [N/mm²] 2.799 5.197 2.678 5.914 2.799 5.914

CBR diseño para un solo contenido de humedad 𝑤=

𝑝𝑒𝑠𝑜𝑠𝑒𝑐𝑜 − 𝑝𝑒𝑠𝑜ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑜 ∗ 100 𝑝𝑒𝑠𝑜𝑠𝑒𝑐𝑜

contenido de MOLDE % humedad w= 162 0.23435226 23.4352256 62 0.21661721 21.6617211 204 0.18585097 18.5850971 Calculo de densidad seca

𝐷𝑠𝑒𝑐𝑎 =

𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 ∗ 100 𝑣𝑜𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑙𝑑𝑒

8.329 10.981 10.981

MOLDE

MASA SECA DEL SUELO [gr]

DENSIDAD SECA [gr/cm³]

VOLUMEN [cm³]

15 139.225234 179.078635 777.453065 23 172.890664 181.458392 952.784064 9 218.125035 176.714587 1234.3352

Entonces el CBR de diseño es el 95% de la densidad máxima seca 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝐶𝐵𝑅 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 1234.3352 ∗ 0.95 = 1172.62

Densidad seca esp-CBR 12 10

CBR

8 6 4 2 0 0.000

200.000

400.000

600.000

800.000

1000.000 1200.000 1400.000

Densidad seca esp [kg/m3]

𝐶𝐵𝑅 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 9.85 

Calculo de expansión

10 Golpes Lectura Lectura inicial final 96 267 Expansión [Lineas] 171 lineas en[mm] % respecto a la altura[mm]

EXPANSIÓN 25 Golpes Lectura Lectura inicial final 57 275 Expansión [Lineas] 218

56 Golpes Lectura Lectura inicial final 60 272 Expansión [Lineas] 212

0.4275

0.545

0.53

0.362

0.001

0.038

Preguntas. 1. Qué valor tomo del resultado del ensayo de CBR a 0.1” o a 0.2” de penetración, consulte y justifique su respuesta. Estos son los valores que se calcularon a partir de los esfuerzos arrojados por las cargas que proporciono la máquina. 2.54 2.799 5.197 8.329 5.08 2.678 5.914 10.981 2. ¿Qué ensayos previos de laboratorio se requieren para efectuar el ensayo CBR? 3.

Las muestras fueron preparadas de acuerdo a la norma INV E- 141 Consulte los valores mínimos de CBR por el INVIAS para las diferentes capas que componen un pavimento (sub rasantes, sub bases y bases granulares). - La tabla que se muestra a continuación representa los valores minimos de CBR

4. Que propondría su grupo en el caso de encontrar valor de CBR inferiores al 2% en un suelo con espesor de 15 metros medidos desde la superficie. - Levantar el material y re afirmar una nueva capa de material que logre cumplir los requerimientos preestablecidos. 5. Determine el valor de CBR de diseño para tomar como valor final de sub rasante de ese suelo. - El valor corresponde al calculado de 9.85 Conclusiones En este caso los ensayos no tuvieron algunas inconsistencias en el desarrollo de la práctica, ya que no fue necesario hacer correcciones en los cálculos de los CBRs. Se observó que las expansiones son muy bajas, ya que es un buen material en cuanto se trate de subrasante, ya que los valores no arrojaban más del 1% respecto a la altura de la muestra.

Se determinaron valores de CBR del suelo estudiado entre 2.79% y 10.78% con un CBR de diseño de 9.85% para la correlación que nos sugiere INVIAS. Los valores anteriores indican un suelo con de uso de subrasante (Regular- buena) muy cercano al 10% valor en el cual el INVIAS impide diseñar un pavimento. Este suelo podría ser utilizado para una capa sub-rasante pero es recomendable el mejoramiento del suelo en el caso de que se tuviese que trazar una vía por el sitio.

BIBLIOGRAFIA Norma INV-E 141-13 Norma INV-E 148-07, CBR. Investigado el 7 de agosto del 2017, CBR, tomado de : http://icc.ucv.cl/geotecnia/03_docencia/02_laboratorio/manual_laboratorio/cbr .pdf Investigado el 127 de agosto del 2017,Uni cauca, CBR, tomado de: ftp://ftp.unicauca.edu.co/Facultades/FIC/IngCivil/Especificaciones_Normas_IN V-07/Normas/Norma%20INV%20E-148-07.pdf