RAZON DE SOPORTE DE SUELOS COMPACTADOS ENSAYO DE C

LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS - CIV 342 ING. MIRTHA TORREZRAZON DE SOPORTE DE SUELOS COMPACTADOS ENSAYO DE C.B.R.

1).OBJETIVOS.-

Los objetivos principales de la prctica son:

Conocer la relacin entre la penetracin que se realiza a un suelo y la capacidad de soporte del mismo.

Determinar la capacidad de soporte del suelo compactado.Los objetivos secundarios de la prctica son:

Aplicar el mtodo correcto de compactacin.

Realizar el correcto desarrollo de la prctica.

2).EQUPO UTILIZADOS.-

Equipo para la compactacin

Molde cilndrico de dimetro interior 6 y altura 7 a 8 Collarn de 2 de altura. Base perforada. Disco espaciador de 2,5 de altura. Pistn o martillo de 10 lb. de peso y 18 de altura de cada.

Equipo para el hinchamiento

Plato y vstago con altura regulable. Trpode y extensmetro. Pesas anulares o en forma de herradura de 5 lb.

Equipo para la prueba de penetracin

Pistn cilndrico de 3 cuadradas de seccin. Aparato para aplicar la carga. Anillo dinamomtrico con extensmetro calibrado.

Otros equipos

Taras, balanza, horno, tamices, papel filtro.

3). FUNDAMENTO TERICO.-3.1)1INTRODUCCIN.-

La sigla de C.B.R. viene de California Bearing Ratio que significa: Razn soporte de California, una prueba estandarizada, que es aplicada ampliamente.

La finalidad de este ensayo, es determinar la capacidad de soporte (CBR) de suelos y agregados compactados en laboratorio, con una humedad ptima y niveles de compactacin variables. Es un mtodo desarrollado por la divisin de carreteras del Estado de California (EE.UU.) y sirve para evaluar la calidad relativa del suelo para sub-rasante, sub-base y base de pavimentos. El ensayo mide la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas, permitiendo obtener un (%) de la relacin de soporte. El (%) CBR, est definido como la fuerza requerida para que un pistn normalizado penetre a una profundidad determinada, expresada en porcentaje de fuerza necesaria para que el pistn penetre a esa misma profundidad y con igual velocidad, en una probeta normalizada constituida por una muestra patrn de material chancado. 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 Relacin de soporteSe 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.

3.2).ENFOQUE.-La expresin que define al CBR, es la siguiente:

Donde:C.u.e., es la carga unitaria ensayo.C.u.p., es la carga unitaria patrn.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. Usualmente el nmero CBR, se basa en la relacin de carga para una penetracin de 2,5 mm. (0,1"), sin embargo, si el valor de CBR a una penetracin de 5 mm. (0,2") es mayor, el ensayo debe repetirse. Si en un segundo ensayo se produce nuevamente un valor de CBR mayor de 5 mm. de penetracin, dicho valor ser aceptado como valor del ensayo. Los ensayos de CBR se hacen sobre muestras compactadas con un contenido de humedad ptimo, obtenido del ensayo de compactacin Proctor. Antes de determinar la resistencia a la penetracin, generalmente las probetas se saturan durante 96 horas para simular las condiciones de trabajo ms desfavorables y para determinar su posible expansin. En general se confeccionan 3 probetas como mnimo, las que poseen distintas energas de compactacin (lo usual es con 56, 25 y 10 golpes). El suelo al cual se aplica el ensayo, debe contener una pequea cantidad de material que pase por el tamiz de 50 mm. y quede retenido en el tamiz de 20 mm. Se recomienda que esta fraccin no exceda del 20%.3.3).Mtodos para realizar el C.B.R.-Mtodo para muestras inalteradas. Mediante este mtodo, se determina el CBR de un suelo cohesivo en estado natural. Se diferencia del anterior slo en la toma de muestras, ya que los pasos para determinar las propiedades expansivas y la resistencia a la penetracin son similares. Se tomarn tres muestras inalteradas, empleando para ello moldes CBR armados en los extremos de su respectivo collarn. Para facilitar el hinchamiento del molde, el collarn que se apoya sobre la superficie del terreno tendr sus bordes cortantes. El procedimiento consiste en ir comprimiendo o hincando el molde contra la superficie del terreno y al mismo tiempo retirando el suelo de alrededor del molde, hasta que la muestra de suelo entre en el collarn superior por lo menos 25 mm., cuidando reducir al mnimo las perturbaciones de la muestra. Finalmente, se retira el molde realizando un movimiento como cortando el suelo, se retira el collarn superior, se enrasan ambas caras de la muestra y se les vierte parafina slida derretida con el fin de evitar prdidas de humedad en el traslado al laboratorio. El peso unitario y la humedad debern ser determinados por medio del ensayo de densidad in situ, eligiendo un lugar prximo a aquel desde donde se obtuvieron las muestras.

Mtodo CBR in situ. Es un mtodo adecuado para determinar la capacidad de soporte de un material en el lugar donde ser sometido a las solicitaciones de la estructura que soportar. Debera realizarse cuando se presenten materiales dudosos y en movimientos de tierra importantes. Bsicamente la fase de penetracin de este ensayo es similar a la descrita anteriormente. Lo usual es determinar primero la densidad in situ del material en el lugar de ensayo, el cual puede ser usado bajo cualquiera de las siguientes condiciones:

- cuando in situ la densidad y el contenido de agua son tal que el grado de saturacin es de un 80% o superior. - cuando el material es de granos gruesos y su cohesin es tal que no se vea afectado por cambios en la humedad. - cuando el material ha estado en el lugar por varios aos. En estos casos La humedad no es constante pero flucta dentro de rangos estrechos y el ensayo CBR in situ se considera como un indicador satisfactorio de la capacidad de soporte del suelo. Por lo general se elige un lugar donde no haya piedras mayores a 3/4", deber removerse el material suelto y nivelar la superficie, luego se coloca un sistema de reaccin montando un gato, con anillo dinamomtrico y pistn, en forma vertical, aplicando la reaccin con un vehculo cargado u otro sistema.

En caso de que el pistn sea colocado en forma horizontal, la reaccin ser dada por la pared contraria del pozo construido para este efecto. Se colocan los anillos de sobrecarga directamente al suelo y se carga el pistn al suelo con una fuerza menor que 4,54 kg. Se debe instalar un dial comparador para registrar las lecturas de deformaciones, en un punto que permanezca constante e inmvil (por ejemplo una viga empotrada al suelo en poyos de hormign).

La penetracin se realiza en forma similar al ensayo tradicional y el ensayo se repite en otros dos puntos escogidos con anterioridad. La forma de expresar los resultados tambin es idntica al mtodo de laboratorio, es decir, trazando la curva tensin contra penetracin, corrigiendo la curva si fuese necesario y calculando el CBR in situ, usando los valores de penetracin de 0,1" y 0,2".3.4).Equipo necesario.- - Aparato para medir la expansin, compuesto por una placa metlica provista de un vstago ajustable de metal con perforacin de dimetro menor o igual a 1,6 mm.y un trpode metlico para sujetar el calibre comparador con indicador de dial.

- Prensa de ensayo, de capacidad mnima de 44 KN. y cabezal o base movible a una velocidad de 1,25 mm/min para presionar el pistn de penetracin en la probeta. Este equipo debe estar provisto de un dispositivo indicador de carga con lecturas de curso no menor que 50 mm. - Molde metlico, cilndrico de dimetro interior de 152,4 0,7 mm. y altura de 177,8 0,1 mm. Debe tener un collarn de extensin metlico de 50,8 mm. de altura y una placa base metlica de 9,5 mm. de espesor, con perforaciones de dimetro igual o menor que 1,60 mm. - Disco espaciador metlico, cilndrico, de 150,8 mm. de dimetro y 61,4 mm. de altura. - Pisn metlico, con una cara circular de 50 0,2 mm. de dimetro y con una masa de 2500 10 grs. La altura de cada debe ser 305 2 mm. controlada por una gua tubular. - Pistn de penetracin metlico, de 50 0,5 mm. de dimetro y no menor que 100 mm. de largo. - Calibre, compuesto por dos deformmetros comparadores con indicador de dial, de 0,01 mm. de precisin. - Sobrecargas, una metlica anular y varias metlicas ranuradas con una masa de 2,27 kgs. cada una y 149,2 mm. de dimetro, con una perforacin central de 54 mm. de dimetro.- Horno de secado, con circulacin de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110 5 C.- Herramientas y accesorios. Estanque lleno de agua, pailas o bandejas de mezcla, depsito de remojo, papel filtro, platos y tamices.

3.5).Determinacin de las propiedades expansivas del suelo.-

Sobre la placa base perforada, se coloca un disco de papel filtro grueso y se ajusta el molde con el suelo compactado en forma invertida, de manera que el espacio formado por el disco espaciador quede en la parte superior.

En la superficie libre de la muestra, se coloca un disco de papel filtro grueso y sobre ste se coloca la placa metlica perforada provista de un vstago regulable. Sobre sta placa se colocarn las sobrecargas, cuyo nmero deber ser especificado o de lo contrario, se usar una sobrecarga mnima de 4,54 kgs., equivalente al peso de un pavimento de hormign de 5 pulgadas de espesor.

A continuacin se coloca todo el conjunto cuidadosamente dentro del estanque sin agua, sobre pequeos bloques metlicos o de otro material con el objeto de permitir el libre acceso del agua por debajo de la muestra. Se monta el trpode y se instala el comparador de dial de tal modo que su punta palpable quede tocando el vstago. Luego, se llena el estanque con agua y se registra la lectura inicial del comparador de dial (Li). El tiempo de inmersin depender del tipo de saturacin. Para un ensayo con saturacin normal se deja el molde sumergido durante 96 horas, en cambio para un ensayo de saturacin completa se dejar el tiempo necesario hasta que no haya ms hinchamiento, lo que se comprueba cuando dos lecturas de dial efectuadas con 24 horas de intervalo difieren en menos de 0,03 mm. Durante todo el tiempo de inmersin el nivel de agua se debe mantener constante. Registrada la lectura final del comparador de dial (Lf), se retira el trpode y se saca el molde del agua, para dejarlo drenar durante 15 minutos. Finalmente se retiran las sobrecargas, los discos de papel filtro y las placas perforadas para determinar el peso del molde ms el suelo compactado y saturado (W2). Determinacin de la resistencia a la penetracin.

Se lleva la probeta a la mquina de ensayo y se colocan sobre ella, una cantidad tal de cargas para reproducir una sobrecarga igual a la que supuestamente ejercer el material de base y pavimento del camino proyectado (pero no menor que 4,54 kg.), redondeando a mltiplos de 2,27 kg. En caso de que la probeta haya sido sumergida, la carga ser igual a la aplicada durante la inmersin.

Se apoya el pistn de penetracin con una carga lo ms pequea posible (no debe exceder de 45 Newton) y se colocan los diales de lectura de tensin y deformacin en cero. Esta carga inicial, se necesita para asegurar un apoyo satisfactorio del pistn, pero debe considerarse como carga cero para la relacin carga-penetracin. La velocidad de carga aplicada al pistn de penetracin ser de 1,25 mm/min. Se anotarn las lecturas de carga, en los siguientes niveles de penetracin: 0,65 - 1,25 - 1,90 - 2,50 - 3,10 - 3,75 - 4,40 - 5,00 - 7,50 - 10,00 y 12,5 milmetros (o bien, 0,025 - 0,050 - 0,075 - 0,100 - 0,125 - 0,150 - 0,175 - 0,200 - 0,300 - 0,400 y 0,500 pulgadas).

Finalmente, se retira el total de la muestra de suelo del molde y se determina el contenido de humedad de la capa superior, con una muestra de 25 mm. de espesor. Si se desea determinar la humedad promedio, se deber extraer una muestra que abarque el total de la altura del molde. Compactacin de probetas para realizar el CBR.

Normalmente se compactan de tres a cinco probetas en un rango de 90 a 100% de la DMCS determinada por el ensayo Proctor. Cada porcin de suelo, se debe mezclar con una cierta cantidad de agua para obtener la humedad ptima, si es necesario curar el suelo, debe colocarse dentro de un recipiente tapado para lograr una saturacin uniforme de la humedad. Una vez que se haya pesado el molde (Mm) y verificado su volumen (Vm), se coloca el disco espaciador sobre la placa base, se fija el molde con el collarn sobre la placa y se coloca un disco de papel filtro sobre el disco espaciador. Dentro del molde se compacta mediante 5 capas cada una de las porciones de suelo hmedo, utilizando para cada porcin una energa de compactacin distinta (N de golpes), de manera que la densidad a la cual se desee determinar el CBR quede comprendida entre las densidades de dos probetas. Se compactarn con 56, 25 y 10 golpes respectivamente. Al comienzo y al final de la compactacin debern tomarse 2 muestras representativas de suelo para calcular el contenido de humedad. En caso que las muestras no sean sumergidas, la humedad se determina concluida la prctica. Finalizada la compactacin, se retira el collarn y se enrasa el suelo al nivel del borde del molde, rellenando los huecos dejados por la eliminacin del material grueso con material de menor tamao. Se retiran la placa base perforada, el disco espaciador y se pesa el molde con el suelo compactado (W1).

3.6).Principales observaciones del C.B.R.-

- En suelos plsticos, el tiempo de curado no debe ser menor que 24 horas, en cambio en suelos de baja plasticidad el plazo puede ser menor e incluso podra eliminarse. - Si la densidad a la cual se requiere el CBR, es menor que la obtenida mediante 10 golpes de pisn, se compacta la probeta con menor energa de compactacin.

- Si la muestra de suelo proviene de zonas desrticas en que se asegure que las precitaciones anuales son inferiores a 50 mm. O no nieva, se puede eliminar la inmersin.

- En suelos finos o granulares que absorben fcilmente humedad, se permite un perodo de inmersin ms corto, pero no menor de 24 horas, ya que se ha demostrado que con este perodo de tiempo, no se vern afectados los resultados.

- Para suelos del tipo A-3, A-2-5, y A-2-7, el procedimiento a aplicar (inmersin o no), debe quedar a criterio del ingeniero responsable del estudio.

- Para suelos del tipo A-4, A-5, A-6, A-7, cuando el CBR en 5 mm. Es mayor que en 2,5 mm., se debe confirmar con informacin obtenida con ensayos previos, o bien repetir el ensayo. Si los ensayos previos o el ensayo de chequeo entregan un resultado similar, emplear la razn de soporte de 5 mm. de penetracin. - Para suelos del tipo A-1, A-2-4, y A-2-6, se calcula el CBR slo para 5 mm. de penetracin. En las siguiente tablas, se indican rangos de valores de CBR, con una clasificacin y posibles uso como material de construccin: CBRClasificacin cualitativa del sueloUso

2 5Muy malaSub-rasante

5 8MalaSub-rasante

8 20Regular BuenaSub-rasante

20 30ExcelenteSub-rasante

30 60BuenaSub-base

60 80BuenaBase

80 100ExcelenteBase

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,SC,SM,SPA2,A4,A6,A7

20-50buenobase,subbaseGM,GC,W,SM,SP,GPA1b,A2-5,A3,A2-6

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

Correccin de una curva de C.B.R.

La correccin de la grfica se hace trazando una recta tangente a la curva por el punto de inflexin, y en le punto en el que choca con el eje de las abscisas, se traslada el punto de origen hasta este nuevo punto, donde la distancia que se desplaza el punto origen, tambin se debe trasladar los puntos de 0.1 y 0.2 esta misma distancia, y as de este modo obtener los datos corregidos de C.B.R.

Grfico de correccin de curva3.7).Frmulas para el procesamiento de los datos.-

Clculo del peso unitario de la muestra hmeda

Donde:Pmh, peso muestra hmedaVm. volumen moldePeso unitario muestra seca

Donde:

mh, peso unitario hmedo%w, porcentaje de humedadPara la expansin

Donde:

Lf, lectura final del extensmetro en cmLi, lectura inicial del extensmetro en cmH, altura total del especimen

La determinacin del C.B.R., se determinar para las penetraciones de 0.1 y 0.2, en sus cargas calculadas.

Para 0.1 se tiene: en Kg/cm2

Para 0.2 se tiene: en Kg/cm2

Se debe considerar lo siguiente:

Si los CBR, para 0.1 y 0.2 tienen expansin, se recomienda usar el valor de 0.2

Si el CBR 0,2 es muy superior al CBR 0.1, se debe repetir el ensayo

4).MEMORIA DE REALIZACIN.-

Para la ejecucin de la prctica se siguieron los siguientes pasos:

Preparamos la muestra, para esto se tubo que triturar la muestra, ya que el suelo al que se aplico el ensayo era arcilla.

Compactacin de la muestra

Luego se mezclo el agua con el suelo de manera que se tenga la densidad mxima.

Se mezclo el suelo con el agua hasta que este se encuentre completamente homogneo.

Se realiz la compactacin para el T-180, utilizando 5 capas y 56 golpes por capa, con la variacin de que en el fondo del envase se debe colocar el anillo espaciador y encima de este un papel para evitar que le suelo se pegue al anillo.

Para esto se coloco el suelo a una quinta parte del envase y aplicar los 56 golpes requeridos, y as proceder hasta concluir con la 5 capas.

Luego enrrasamos el molde y pesamos la muestra mas la base. Dar la vuelta, quitar el anillo espaciador y colocar papel en la parte superior del suelo compactado y encima de este colocar las pesas anulares.

Lectura con el extensmetro

Una vez que el molde se encuentra con las pesas, se tomo una lectura inicial con el extensmetro, antes de colocar el molde en el agua.

Se debe marcar la parte en que el trpode hace contacto con el envase para posteriormente situar el trpode en el mismo lugar y as realizar las lecturas respectivas.

Dejar el molde durante 4 das y realizar las mediciones con el extensmetro cada 24 horas de la expansin del suelo.

Resistencia a la expansin

Pasado los 4 das, se tuvo que sacar el envase y dejar drenar un tiempo considerable, luego se procedi a pesar para as tener el peso del molde saturado.

Instalar el molde en la prensa y se debe asentar el pistn de penetracin sobre el espcimen.

Asegurar el lecturador de la penetracin del pistn.

Se encender el equipo, que debe hincar el pistn manteniendo una velocidad constante y se debe medir la lecturas en los puntos necesarios que son a 0.025, 0.05, 0.075, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 y 0.5.

Cuando el pistn alcance los 0.5 de penetracin, se debe sacar el molde dela prensa.

Finalmente, se debe extraer tres muestras del especimen, del fondo, la parte superior y a 2 de profundidad medida, desde la superficie; para determinar el contenido de humedad.

5).CALCULOS Y RESULTADOS.-

Molde N:1

N de capas5

N de golpes por capa56

CONDICIN DE LA MUESTRA:Antes deMojarseDespues demojarse

Peso Muestra hmeda + Molde1172511799

Peso del Molde72247100

Peso Muestra hmeda45014699

Volumen de la Muestra2129.402251,43

Peso Unit. De la muestra hmeda2.1192,087

MUESTRA DE HUMEDADSuperficieCentroFondo

Tara N123

Peso muestra hmeda + tara42.3737.4133.73

Peso muestra seca + tara39.1735.1131.78

Peso del agua3.202.31.95

Peso de la tara17.2517.2417.46

Peso de la muestra seca21.92017.8714.32

Contenido de humedad %14.59912.8713.62

Promedio del cont. de humedad13.696------

Peso Unit. De la muestra seca.

EXPANSION

FECHAHORATIEMPO EN DIASMOLDE N 1

LECTURA EXTENSO.EXPANSIN

cm%

5:3010.8700.02502.497

5:3020.9340.0313.689

5:3031.0080.03683.682

5:3041.0090.03693.692

Clculos de expansin

Clculos curva carga vs penetracin y C.B.R.

PENETRACINExtens.mm.MOLDE N 1

Carga Ensayo

Pulg.mm.Kg.Kg./cm

0,0250.63 0.20.85860.044

0,0501.270.41.71920.089

0,0751.9050.52.14920.111

0,1002.540.73.0090.155

0,2005.081.66.8770.355

0,3007.622.510.7450.555

0,40010.163.113.3240.688

0,50012.73.715.9030.822

CALCULOS DE C.B.R.-

C.B.R.= (CARGA (Kg./cm2)/70.31 (Kg. /cm2))*100C.B.R.= (0.155/70.31)*100 C.B.R.= 0.220 %

C.B.R.= (CARGA (Kg./cm2)/105.4 (Kg. /cm2))*100C.B.R.= (0.355/105.4)*100C.B.R.= 0.337 %

0.1 = 2.54 mm =0.155 kg/cm2

0.2 = 5.08 mm =0.353 kg /cm2

6).INFORME GRFICO.-

Grfico de partes de instrumentos para el CBR

Grfica del equipo para la penetracin

7).CONCLUSIONES.-

Al finalizar la prctica se obtienen y se pueden dar las siguientes conclusiones:

La prctica o ensayo de CBR, es aplicado mucho en obras de carreteras en donde se requiere saber la capacidad de resistencia al corte (esfuerzo cortante) de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas.

Los suelos granulares, ofrecen resistencias al corte mucho ms altas en comparacin de los suelos finos, por lo que los suelos granulares son los mas utilizados como bases y sub bases en una carretera.

Los suelos finos, poseen mayor expansin, en relacin a los suelos granulares.

Si se quiere tener seguridad en la obtencin de los resultados en este ensayo, se deben tomar datos exactos y precisos, ya que de estos dependen los resultados.

Se deben realizar las tres probetas, indicadas en las especificaciones del ensayo, para as poder realizar todas las grficas requeridas y as obtener otros datos que pueden ser utilizados en otras aplicaciones.

Se pueden realizar ensayos de CBR en situ, pero generalmente se los realiza en los laboratorios.

Un suelo compactado en su humedad ptima y su densidad mxima, tendr con seguridad un CBR mayor en comparacin a otro suelo que no esta compactado en su humedad ptima.

Todos los suelos reaccionan de diferente manera, frente a la accin del agua, por los que se deben tomar estas consideraciones muy en cuenta para la realizacin de los diferentes proyectos.

8).RECOMENDACIONES.-

Finalmente se puede recomendar:

1. Realizar las tres probetas, para obtener todos los resultados favorables de la prctica.

2. Tomar todas las lecturas con mucha precisin, ya que de estos dependen el desarrollo adecuado de la prctica.

3. Aplicar las consideraciones mencionadas anteriormente, para adoptar un valor determinado del CBR.- 6 -Grfico10.0440.0890.1110.1550.3550.5550.6880.822

PENETRACION (mm)ESFUERZO (kg/cm2)GRAFICA ESFUERZO- PENETRACION

Hoja10.630.0441.270.0891.9050.1112.540.1555.080.3557.620.55510.160.68812.70.822

Hoja1

PENETRACION (mm)ESFUERZO (kg/cm2)GRAFICA ESFUERZO- PENETRACION

Hoja2

Hoja3