• Author / Uploaded
• Gustavo Alfonso

Citation preview

RELACIÓN DE SOPORTE DEL SUELO EN EL LABORATORIO

CBR

Informe de Laboratorio

Presentado a: CÉSAR ORLANDO CHAVES GÓMEZ ANDRÉS FONSECA MALAVER CAMILA ANDREA GÁMEZ GARCÍA DAISI TATIANA PERICO FRANCO LEIDY JOHANNA VIRACACHA ALVAREZ

214488 214240 214242 214142 213716

Presentado a: Ing. CAROL MURILLO FEO

UNIVESIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Departamento de Ingeniería Civil y Agrícola Sede Bogotá Bogotá, 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 CÁLCULOS Y ANALISIS DE RESULTADOS ............................................................................................. 8 CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 15 RECOMENDACIONES ......................................................................................................................... 15 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................... 16

ENSAYO DE LA RELACION DE SOPORTE CALIFORNIA (CBR) INTRODUCCION Dos suelos diferentes alcanzarán no solo densidades secas y humedades óptimas diferentes en el ensayo de compactación, sino que el material al estar constituido por partículas diferentes, tendrá un comportamiento en términos de ingeniería diferente. Por ello, se hace necesario un parámetro adicional que considere la capacidad de soporte del suelo en sí mismo para esas condiciones de compactación.

Para determinar el CBR de un material que hará parte de la estructura de una vía es necesario contar con los resultados de las pruebas de compactación que a su vez determinan la humedad óptima donde el suelo se hace más denso, asociando este resultado con una resistencia mayor.

OBJETIVO Ddeterminar 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 compactación de Proctor modificado para conocer la humedad óptima de compactación. Con este dato se llevará el suelo a dicha humedad y se realizará el ensayo de penetración de Proctor mencionado anteriormente.

OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Aprender a interpretar los resultados de un laboratorio de CBR dando aplicabilidad al uso en el diseño de pavimentos.



Desarrollo de las prácticas de laboratorio para determinar los parámetros buscados en las muestras de suelo



Manejo de los equipos y el aprendizaje de la forma de presentación de los datos obtenidos en el laboratorio.

EQUIPOS Y MATERIALES

Prensa: Similar a las usadas en ensayos de compresión, utilizada para forzar la penetración de un pistón en el espécimen. 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. Martillo de compactación: de 10 libras Aparato medidor de expansión: compuesto por: 

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").

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. 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, para insertarlo como falso fondo en el molde cilíndrico durante la compactación. 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 las 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. Herramientas y accesorios. Pala, platón o bandeja metálica de mezclado, machete, baldes y espátula. Tamices: De 4.75 mm (No.4) y de 19.0 mm (3/4").

PROCEDIMIENTO 1.

Preparar tres muestras de material cada una con pesos de 6000 gr y a partir de ello se realiza un cuarteo para que éste tenga diferentes tamaños en su composición granular.

2.

Luego, debemos tamizarla con el propósito de que el 75% del material pase el tamiz, de lo contrario resultaría necesario hacer reemplazo de material con el que pasa por dicho tamiz, pero queda retenido en el Número 4.

3.

Para cada molde ajustar el molde a la base, insertar el disco espaciador en el molde y cubrirlo con un disco de papel filtro.

4.

Después, de haber determinado la humedad óptima 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 óptima.

5.

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 energías necesarias para este caso se utilizó proctor modificado..

6.

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.

7.

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.

8.

Colocar dos pesas ranuradas (aprox. 5 libras cada una) sobre la muestra de suelo compactado para simular la presión de sobrecarga requerida.

9.

Sumergir en un tanque de inmersión durante un lapso de 96 horas las probetas con la muestra dentro. A partir del momento de la inmersión y cada 24 horas se lee la expansión o contracción de las muestras, con un deformímetro ubicado en un trípode que se ubica sobre el molde directamente.

10. Pasadas las 96 horas se extrae la muestra del tanque de inmersión y se deja escurriendo durante 15 minutos luego se lleva a una prensa, la cual imparte una fuerza de penetración a una velocidad de deformación de 1.27 mm por minuto. 11. Colocar la muestra en la máquina de compresión y sentar el pistón sobre la superficie de suelo utilizando una carga inicial no mayor de 4.5 kg. Fijar el cero en los deformímetros de medida de carga y de penetración (o deformación). 12. Hacer lecturas de deformación o penetración y tomar las respectivas lecturas del deformímetro de carga.

DATOS Se tomaron tres probetas del laboratorio con una numeración definida a las cuales se les aplicaron las energías de compactación indicadas a continuación:

Probeta # 27 # 24 # 33

Golpes 56 25 12

Energía de compactación 55200 lb*pulg/pulg3 26400 lb*pulg/pulg3 12400 lb*pulg/pulg3

A continuación 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.

Peso Probeta(gr)

Peso Base(gr)

Peso probeta + base (gr)

27 24 33

4738 4375 4808

2950 3000 2939

7688 7375 7747

Moldes con material, antes y después de la inmersión.

Molde No.

Peso Probeta(gr)

Peso Base(gr)

Peso suelo(gr)

Peso Total (gr)

Peso Sobrecarga(gr)

Peso después de la inmersión (gr)

27 24 33

4738 4375 4808

2950 3000 2939

4827 4638 4490

12515 12013 12237

10000 10000 10000

18989 17762 17107

Datos tomados para la expansión y contracción del suelo a lo largo de las 96 horas de inmersión.

Lecturas de Deformímetro Molde No.

Día 0

Día 1

Día 2

27 24

76 155

80 157

79 153

33

47

53

49

Día 3

Día 4

No se tomaron datos

80 152 51

Como era de esperarse, al iniciar el proceso de humedecimiento, el suelo comienza a incrementar su volumen, presentando hinchamiento, razón 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 días, se observa que las muestras presentan unas variaciones, tanto de aumento como de disminución de sus dimensiones, lo que indica que la sobrecarga que se mantuvo constante durante esos cuatro días cumple esa función, regular esa deformación 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 mecánica cada una de las muestras. En este equipo se realizaron lecturas de deformación (para instantes de tiempo específicos) y de un anillo de carga.

Finalizada la etapa de carga, se extraía material para determinar la humedad, a continuación se encuentran los valores correspondientes y el cálculo de la humedad.

Pesos de los Moldes Molde No. 27 24 33

Peso suelo húmedo + recipiente (gr)

235 220.15 379.9

Peso seco + Peso recipiente recipiente (gr) (gr)

216 205 346

37.15 37 37.38

Humedad

10.62% 9.02% 10.98%

CÁLCULOS Y ANALISIS DE RESULTADOS Para determinar las fuerzas aplicada por el pistón de carga, se realiza por medio de la siguiente expresión, la cual relaciona la lectura del dial del anillo de carga:

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

12 Golpes Penetracion Penetración tiempo(sg) (pulg) (mm)

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

lectura anillo

6 10 12 15 18 25 30 33 38 60 67

Fuerza Fuerza(N) ( lbf)

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

Esfuerzo (lbf/pulg2)

MPa

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

Esfuerzo (lbf/pulg2)

MPa

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

CBR

5.85

7.13

25 Golpes Penetracion Penetración( tiempo(sg) (pulg) mm)

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

lectura anillo

2.5 16 43 74 115 173 226 265 412 600 880

Fuerza Fuerza(N) ( lbf)

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

CBR

37.25

57.45

56 Golpes Penetracion Penetracion tiempo(sg) (pulg) (mm)

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

lectura anillo

14 35 54 90 137 201 230 300 445 510 800

Fuerza Fuerza(N) ( lbf)

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

Esfuerzo (lbf/pulg2)

MPa

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

CBR

44.40

65.10

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

Ninguna de las curvas presenta un punto inflexión por lo tanto se toman de la curva los valores de presión correspondientes a 2.54 y 5.08 mm. (0.1” y 0.2”) de penetración

PENETRACIÓN (Pulg.) 0,1 0,2

ESFUERZO (Lb/pulg^2) 12 golpes 25 golpes 56 golpes 58.55 106.98

372.52 361.72

ESFUERZO DE REFERENCIA(Lb/pulg^2)

444.00 976.51

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 deformación 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 ocasión repetir el ensayo para buscar una comprobación de los resultados, por tanto el CBR para cada una de las condiciones que presentaba cada probeta con respecto a su humedad, densidad y energía de compactación es:

CBR 12 golpes

25 golpes

56 golpes

7

57

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 más importante será la energía con que se lleva a cabo la compactación del material. Se observa en las gráficas que al tener una energía mayor, el valor del CBR se incrementa notoriamente, por ejemplo para una energía 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 condición está íntimamente ligada a la densidad y cohesión entre partículas; teniendo mayores energías de compactación se logran mayores densidades, lo que quiere decir que hay menos espacios vacíos y un mejor confinamiento, en estas condiciones el suelo tiene menos posibilidades de deformarse ya que no tiene forma de cambiar su volumen tan fácilmente. 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 erróneo provoco fallas en el proceso de la penetración dando por resultado valores de penetración 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 permitió el paso de agua a la muestra y modifico notoriamente las características de la muestra saturándola en mayor proporción que las otras dos muestras y disminuyendo la presión existente entre las partículas de suelo.

Calculo de la densidad seca: Volumen de los recipientes: Molde No. 27 Medición No.

1

2

3

Promedio

Volumen

h(cm) φ(cm)

11.45 13.5

11.5 15.4

11.45 15.3

11.5 14.7

1951.74 cm3

Molde No. 24 Medición No.

1

2

3

Promedio

Volumen

h(cm) φ(cm)

11.59 15.4

11.6 15.5

11.6 15.4

11.6 15.4

2160.7 cm3

Molde No. 33 Medición No.

1

2

3

Promedio

Volumen

h(cm) φ(cm)

11.59 15.4

11.6 15.5

11.6 15.4

11.6 15.4

2160.7 cm3

Densidad húmeda:

Densidad seca:

A continuación los valores de densidad seca obtenidos:

Molde #

Volumen (cm3)

Peso molde + suelo húmedo compactado (gr)

27 24 33

1951.74 2160.7 2160.7

9565 9013 9298

Peso molde densidad húmeda (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 relación de vacíos que existe en la muestra, aumento la densidad y por lo tanto el suelo se comporta de una manera más homogénea y resistente.



Con esta energía de compactación se obtienen resultados óptimos para uso de este suelo como base ya que cumpliría con las especificaciones para soportar carga.



Es evidente que la compactación en el diseño de una estructura de pavimento asegura la vida útil de este y su correcto funcionamiento



Se debe tener en cuenta que este ensayo se realiza con parámetros controlados de humedad y densidad y se controla la energía de compactación buscando llegar a un resultado parecido a una situación in situ.



El agua sigue siendo un factor determinante en el comportamiento de los materiales en la ingeniería.

RECOMENDACIONES



Asegurar apropiadamente las probetas de CBR para evitar pérdida de material en el momento de realizar la inmersión.



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 determinación del índice de CBR.



Es necesario realizar el procedimiento rápidamente con el fin de tratar de mantener la humedad optima (calculada con anterioridad) la larga manipulación puede alterar la humedad requerida.

BIBLIOGRAFÍA 

MONTEJO FONSECA, Alfonso. Ingeniería de Pavimentos para Carreteras. Universidad Católica de Colombia Ediciones y publicaciones. Bogotá. 1998. Pág. 64, 68.



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



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