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• Guillermo Palomino Burgos

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HOJA DE CALCULO PARA EL PROCESAMIENTO DE INFORMACIONDEL ENSAYO DE CBR ANTECEDENTES El método de ensayo CBR fue propuesto por el Departamento de Carreteras del Estado de California en 1929.En la actualidad su empleo se encuentra muy difundido a nivel mundial. Se utiliza para evaluar la resistencia potencial de los materiales de sub rasante, sub base, y material grueso de base, incluyendo materiales reciclados usados en pavimentos de caminos y pistas de aterrizaje. El valor de CBR forma parte integral de varios métodos de diseño de pavimento flexible. ALCANCE Este método de ensayo cubre la determinación del CBR (California Bearing Ratio) de los materiales de subrasante, subbase y base a partir de especímenes compactados en laboratorio. Este método de ensayo está dirigido fundamentalmente, pero no limitado, para la evaluación de la resistencia de materiales cohesivos que tengan partículas de tamaño máximo de 3/4" (19 mm). RESUMEN DEL METODO Se preparan tres especímenes compactados al mismo contenido de humedad. Los especímenes son compactados usando tres diferentes esfuerzos de compactación para obtener pesos unitarios por encima y por debajo del peso unitario deseado. Después de sumergir los especímenes en agua, cada espécimen se somete a penetración por medio de un pistón cilíndrico. Se grafican los resultados de esfuerzo vs. Penetración para cada espécimen para determinar el CBR de cada espécimen. El CBR a la densidad especificada se obtiene mediante un gráfico de CBR vs. densidad seca.

MECANICA DE SUELOS RAZON DE SOPORTE DE SUELOS COMPACTADOS - ENSAYE DE C.B.R. 1. Generalidades El ensayo de C.B.R. 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 “Relación de soporte” y esta normado con el número ASTM D 1883-73. Se aplica para 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. Se recomienda que la fracción no exceda del 20%. Este ensayo puede realizarse tanto en laboratorio como en terreno, aunque este último no es muy practicado.

2 Ensayo de C.B.R. (Nch 1852 of.81) El número CBR se obtiene como la relación de la carga unitaria en Kilos/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 triturada, en ecuación, esto se expresa:

CBR = Carga unitaria de ensayo * 100 Carga unitaria patrón

Los valores de carga unitaria que deben utilizarse en la ecuación son: Penetración

Carga unitaria patrón

mm

Pulgada

Mpa

Kg/cm2

psi

2,54

0,1

6,90

70,00

1000

5,08

0,2

10,30

105,00

1500

7,62

0,3

13,10

133,00

1900

10,16

0,4

15,80

162,00

2300

12,7

0,5

17,90

183,00

2600

Tabla V.15 Valores de Carga Unitaria El número CBR usualmente se basa en la relación de carga para una penetración de 2.54 mm (0,1”), sin embargo, si el valor del CBR para una penetración 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 óptimo para el suelo específico, determinado utilizando el ensayo de compactación estándar. A continuación, utilizando los métodos 2 o 4 de las normas ASTM D698-70 ó D1557-70 ( para el molde de 15.5 cm de diámetro), se debe compactar muestras utilizando las siguientes energías de compactación:

Método D698

D1557

2 (suelos de grano fino)

Golpes 56

Capas 3

Peso del martillo N 24,5

4 ( suelos gruesos)

56

3

24,5

2 (suelos de grano fino)

56

5

44,5

4 (suelos gruesos)

56

5

44,5

Tabla V.16 Energías de Compactación

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

Sistema de Clasificación CBR

Clasificación general

usos

Unificado

AASHTO

0-3

muy pobre

subrasante

OH,CH,MH,OL

A5,A6,A7

3-7

pobre a regular

subrasante

OH,CH,MH,OL

A4,A5,A6,A7

7 - 20

regular

sub-base

OL,CL,ML,SC

A2,A4,A6,A7

SM,SP 20 - 50

> 50

bueno

excelente

base,subbase

GM,GC,W,SM

A1b,A2-5,A3

SP,GP

A2-6

GW,GM

A1-a,A2-4,A3

base

Tabla V.17 Clasificación de suelos para Infraestructura de Pavimentos

Existen algunos métodos de diseño de pavimentos en los cuales se leen tablas utilizando directamente el número CBR y se lee el espesor de la subrasante (por ejemplo “Principios de diseño de pavimentos”, Jhon Wiley & Sons, 1959, Capitulo 14 y 15).

2.1 Equipo necesario - Prensa de Ensaye - Molde - Disco espaciador - Pisón - Cargas - Pistón de penetración - Aparato para medir expansión 2.2 Procedimiento 2.3 Resultados Curvas de tensión – penetración - Calcular las tensiones de penetración en Mega Pascales (MPA) o en (Kg/cm2). - Para ello se traza la curva en un gráfico tensión – penetración.

- La curva puede tomar, ocasionalmente, la forma cóncava 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 penetración de 0.1” y 0.2”. - Las curvas de tensión – penetración se dibujan en un mismo grafico para los distintos números de golpes.

MPa 11 10 9 8

No requiere corrección

7 6 5 Penetración

4

5.08 mm. corregida

3 Penetración

2 2.54 mm. corregida

1 0 01

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

milímetros

0

2.54

5.08

milímetros

Origen corregido

Fig. 5.10 Corrección de Curvas Tensión- Penetración Razón de Soporte (CBR) - El valor del CBR es la relación expresada en porcentaje entre la carga real, que produce una deformación establecida y la que se requiere para producir igual deformación establecida y la que se requiere para producir igual deformación en un material chancado y normalizado, se expresa por la relación: CBR = P * 100 P1

P : Carga obtenida en el ensayo Pi: Carga unitaria normalizada Las cargas normalizadas se dan en la tabla V.19 TENSIONES NORMALIZADAS MPa

TENSIONES NORMALIZADAS MPa

6.9

70

5.08

10.3

105

7.62

13.1

133

10.16

15.8

162

12.7

17.9

183

PENETRACION 2.54

Tabla V.19 Penetración – Tensiones normalizadas Para los suelos del tipo A – 1; A – 2 – 4 y A – 2 – 6, la razón de soporte se calcula solo para 5 mm de penetración (0.2 pulgadas). Para suelos del tipo A – 4; A – 5; A – 6 Y A – 7, cuando la razón correspondiente a 5 mm es mayor que a 2,5 mm, confirmar el resultado, en caso de persistencia, la razón de soporte corresponderá a 5 mm de penetración. Para suelos del tipo A – 3; A – 2 – 5 Y A – 2 – 7, el procedimiento a aplicar queda al criterio del ingeniero. Con el resultado del CBR se puede clasificar el suelo usando la tabla V.20.

CBR

CLASIFICACION

0-5 Subrasante muy mala 5 – 10 Subrasante mala 10 – 20 Subrasante regular a buena 20 – 30 Subrasante muy buena 30 – 50 Subbase buena 50 – 80 Base buena 80 - 100 Base muy buena Tabla V.20 Clasificación del suelo de acuerdo al CBR Cuando se requiere conocer los efectos de preconsolidación natural, estructura de suelo, cementación natural, estratificación, que son aspectos que no pueden producirse con muestras remoldeadas de suelo ni con muestras supuestamente inalteradas que se ensayen en laboratorio, se recomienda efectuar el ensaye CBR in situ, siempre que el terreno natural esté 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 está confinada en un molde.

Es condición que en el lugar que se realice el ensaye no existan partículas superiores al tamiz 20 mm (3/4”). La preparación del terreno requiere enrasar y nivelar un área de 30 cm de diámetro, para posteriormente colocar las sobrecargas estipuladas. El informe final del ensayo deberá incluir, además del CBR determinado, la curva de presión – penetración, la humedad, peso específico y densidad natural del suelo ensayado, antecedentes que pueden obtenerse del suelo inmediatamente vecino al que afectó el ensaye del CBR.

Ensayo de Proctor Estandar y Modificado ASTM D-1557 o AASHTO T-180 OBJETIVOS • Se determinará la relación entre la humedad y el peso unitario de los suelos compactados en un molde de un tamaño dado con un martillo de 2.5 kg (5.5 lb.) que cae desde una altura de 305 mm (12"). • Este método de ensayo se emplea para la determinación rápida del peso unitario máximo y de la humedad óptima de una muestra de suelo empleando una familia de curvas y un punto. • El índice que se obtiene, se utiliza para evaluar la capacidad de soporte de los suelos de subrazante y de las capas de base, subbase y de afirmado. MARCO TEORICO Proctor estándar y Modificado El término compactación se utiliza en la descripción del proceso de densificación de un material mediante medios mecánicos. El incremento de la densidad se obtiene por medio de la disminución de la cantidad de aire que se encuentra en los espacios vacíos que se encuentra en el material, manteniendo el contenido de humedad relativamente constante. En la vida real, la compactación se realiza sobre materiales que serán utilizados para relleno en la construcción de terraplenes, pero también puede ser empleado el material in situ en proyectos de mejoramiento del terreno. El principal objetivo de la compactación es mejorar las propiedades ingenieríles del material en algunos aspectos: • Aumentar la resistencia al corte, y por consiguiente, mejorar la estabilidad, de terraplenes y la capacidad de carga de cimentaciones y pavimentos. • Disminuir la compresibilidad y, por consiguiente, reducir los asentamientos. • Disminuir la relación de vacíos y, por consiguiente, reducir la permeabilidad. Reducir el potencial de expansión, contracción o expansión por congelamiento. Para medir el grado de compactación de material de un suelo o un relleno se debe establecer la densidad seca del material. En la obtención de la densidad seca se debe tener en cuenta los parámetros de la energía utilizada durante la compactación y también depende del contenido de humedad durante el mismo. Las relaciones entre la humedad seca, el contenido de humedad y la energía de compactación se obtiene a partir de ensayos de compactación en laboratorio. La compactación en laboratorio consiste en compactar una muestra que corresponda a la masa de suelo que se desea compactar, con la humedad calculada y en un molde cilíndrico de volumen conocido y con una energía de compactación especificada. En la actualidad se presentan deferentes tipos de ensayos los cuales determinan el grado de compactación del material, entre otros se pueden encontrar los ensayos de: Método del martillo de 2.5 Kg, método del martillo de 4.5 Kg, Proctor (estándar), Proctor modificado y el método del martillo vibratorio. Los primeros cuatro están basados en la compactación dinámica creada por el impacto de un martillo metálico de una masa específica que se deja caer libremente desde una altura determinada, el suelo se compacta en un número de capas iguales y cada capa recibe el mismo número de golpes. La compactación en el quinto ensayo esta basado en la combinación de presión estática y la vibración. El suelo se compacta en tres capas iguales presionado fuertemente hacia abajo el compactador vibratorio durante 60 segundos en cada capa. Los resultados obtenidos a partir del ensayo proporcionan una curva, en la cual el pico más alto dicta el contenido de humedad óptima a la cual el suelo llega a la densidad seca máxima. Por medio de los ensayos sé a podido determinar que por lo general la compactación es más eficaz en los materiales bien gradados que contienen una cantidad de finos que en los materiales de gradación uniforme que carecen de finos

DIFERENCIAS ENTRE EL ENSAYO PROCTOR ESTANDAR Y MODIFICADO La diferencia básica entre el ensayo Proctor Normal y el Modificado es la energía de compactación usada. En el Normal se hace caer un peso de 2.5 kilogramos de una altura de 30 centímetros, compactando la tierra en 3 camadas con 25 golpes y, en el Modificado, un peso de 5 kilogramo de una altura de 45 centímetros, compactando la tierra en 5 camadas con 50 golpes. Esta diferencia se debe a la existencia de modernos equipos de compactación más pesados que permiten densidades más altas en campo. Existen diferentes Normas que definen estos ensayos, entre la cuales pueden ser destacadas las Normas americanas, ASTM D-698 para el Proctor Normal y ASTM D-1557 para el ensayo de Proctor modificado y la norma brasileña NBR 7182 que se refiere a ambos ensayos.

Por lo tanto, cuando es exigido un suelo compactado al 90% Proctor normal o modificado, significa que la compactación debe alcanzar una densidad seca de por lo menos 90% de la densidad seca máxima obtenida con los ensayos correspondientes. PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO 1. Cada grupo debe tomar 7 kg (peso nominal) de suelo secado al aire, desmenuzado para que pase a través del tamiz # 4; luego debe ser mezclado con la cantidad de agua necesaria para alcanzar el contenido de humedad basado en porcentaje de peso seco; la humedad deberá ser, para este primer ensayo, aproximadamente un 4 a 5 % menor que la humedad óptima estimada; debe quedar claro que el suelo y el agua en un ensayo deberían mezclarse con anterioridad y dejarse curar o macerar - para asegurar su distribución homogénea - durante 24 horas cuando se trabaja con suelos cuyos finos sean plásticos; sin embargo, en esta sesión de laboratorio para estudiantes, esta etapa podrá omitirse. 2. Pesar el molde de compactación, sin incluir la base ni el collar. 3. Medir las dimensiones internas del molde de compactación para determinar su volumen. 4. Compactar el suelo en 5 capas aplicando 56 golpes sobre cada una (para molde grande); se debe procurar que la última capa quede por sobre la altura del molde de compactación; en caso que la superficie de la última capa quedara bajo la altura del molde, se debe repetir el ensayo; se debe evitar además que esta última capa exceda en altura el nivel del molde en más de 6 mm ya que al enrasar se estaría eliminando una parte significativa del material compactado, disminuyendo la energía de compactación por unidad de volumen. 5. Retirar cuidadosamente el collar de compactación, evitar girar el collar; en caso que se encuentre muy apretado, retirar con espátula el suelo que se encuentra adherido a los bordes por sobre el nivel del molde; finalmente enrasar perfectamente la superficie de suelo a nivel del plano superior del molde. 6. Pesar el molde con el suelo compactado y enrasado. 7. Extraer el suelo del molde y tomar una muestra representativa para determinar el contenido de humedad. 8. Desmenuzar el suelo compactado y mezclarlo con suelo aún no utilizado; agregar un 2% de agua (en relación a los 7 kg) y repetir los pasos 4 a 8; realizar la cantidad de ensayos que el instructor indique, suficientes para obtener una cantidad de puntos que permita determinar la humedad óptima y la densidad máxima. 9. Volver posteriormente al laboratorio para obtener los pesos secos de las muestras de humedad. Cálculos Calcular el peso unitario seco y hacer un grafico de γd versus contenido de humedad. Dibujar en este gráfico la curva de saturación; si no se conoce GS, suponer que la densidad saturada correspondiente a la humedad óptima es 5 % mayor que la densidad máxima seca; con este valor calcular el valor de GS; la curva de saturación en ningún caso debe interceptar la curva de compactación; en caso que esto suceda, incrementar en un 1 % adicional el valor de la densidad saturada hasta asegurar que la curva de saturación pase por sobre la de compactación.

Ejes equivalentes Es la cantidad pronosticada de repeticiones del eje de carga equivalente de 18 kips (8,16 t = 80 kN) para un periodo determinado, utilizamos esta carga equivalente por efectos de cálculo ya que el transito está compuesto por vehículos de diferente peso y numero de ejes. Los ejes equivalentes se los denominara ESAL "equivalent simple axial load". Se calcula para el carril de diseño utilizando la siguiente ecuación:

Donde: pi Porcentaje del total de repeticiones para el i-ésimo grupo de vehículos o cargas. Fi Factor de equivalencia de carga por eje, del i-ésimo grupo de eje de carga(Tablas). P Promedio de ejes por camión pesado. TPD Tránsito promedio diario. FC Factor de crecimiento para un período de diseño en años. Fd Factor direccional. FC Factor de distribución por carril. EJEMPLO Período de Diseño = 20 años Tasa de Crecimiento anual = 2% Pt = 2,5 Fd = 0,5 FC = 0,8 SN = 4"

TIPO DE VEHÍCULO

Carga por Tipo de Volumen de Factor de Tránsito Factor de Nº de eje (Kips) Eje Tráfico Diario Crecimiento de Diseño Camión TF ESALs

Automóviles, vagonetas, 4 Simple otros livianos Microbuses, camión 10 Simple Pequeño Bus y camión mediano 16 Simple Bus grande 34 Tandem Camión Semiremolque 36 Tandem Camión Semiremolque 48 Tridem TOTALES ESAL's de Diseño = 13561820 0,5 0,8 = 5424728

850

24,3

7539075

0,69

5201962

440

24,3

3902580

0,69

2692780

260 230 240 196 2216

24,3 24,3 24,3 24,3

2306070 2039985 2128680 1738422

0,69 0,69 0,69 0,69

1591188 1407590 1468789 1199511 13561820

En la siguiente tabla se muestran los espesores mínimos para carpetas asfálticas y bases granulares, sugeridos en función del tránsito. Espesores Mínimos, en pulgadas, en Función de los Ejes Equivalentes Tránsito (ESAL's) En Ejes Equivalentes Carpetas De Concreto Asfáltico Bases Granulares Menos de 50,000 1,0 ó T.S. 4,0 50,001 – 150,000 2,0 4,0 150,001 – 500,000 2,5 4,0 500,001 – 2'000,000 3,0 6,0 2'000,001 – 7'000,000 3,5 6,0 Mayor de 7'000,000 4,0 6,0 T.S. = Tratamiento superficial

Factor de distribución por carril En una carretera de dos carriles, uno en cada dirección, el carril de diseño es uno de ellos, por lo tanto el factor de distribución por carril es 100%. Para autopistas multicarriles el carril de diseño es el carril exterior y el factor de distribución depende del número de carriles en cada dirección que tenga la autopista. En la tabla siguiente se muestran los valores utilizados por la AASHTO: Factor De Distribución Por Carril. No. carriles en cada dirección Porcentaje de ejes simples equivalentes de 18 kips en el carril de diseño (FC) 1 100 2 80 – 100 3 60 – 80 4 ó más 50 – 75