ÍNDICE DE SOPORTE DE CALIFORNIA

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ÍNDICE DE SOPORTE DE CALIFORNIA.

Instituto Tecnológico de Costa Rica.

Escuela de Ingeniería en Construcción.

Laboratorio de Suelos.

Informe Nº 4.

Prof.: Rafael Baltodano G.

Daniel Rojas Chávez.

200945136

I semestre 2012.

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Resumen.

En el siguiente informe se presenta la prueba de laboratorio para encontrar el CBR

de un suelo, la cual está normada por la ASTM (American Society of Testing

Materials). Para esta prueba se realiza previamente una reducción de muestras por el

método del cuarteo y la separación de gruesos y finos por medio de las mallas Nº 2, ¾ y

3/8 en veinte bolsas (diez de finos y diez de gruesos). Para la realización de esta prueba

se utilizan tres bolsas de finos y tres de gruesos, las cuales se mezclan y se colocan en

tres moldes diferentes, los cuales serán compactados por medio de un pisón de 4,54 Kg.

mediante 65, 30 y 10 golpes. Utilizando una humedad óptima de 13.33%, se logra

establecer valores de CBR de 3.957, 2.652 y 2.333 para las muestras de 56, 25 y 10

golpes respectivamente, permitiendo clasificar el suelo como muy pobre a pobre y su

utilidad como material de subrasante.

Introducción.

En el diseño de carreteras o sistemas viales en general, es sumamente importante

utilizar el material adecuado ya sea para la base, sub-base o sub-rasante, el cual garantice

una larga vida útil a cualquier carretera soportando toda clase de inclemencias además del

tránsito que hará uso de la vía. Una de las pruebas más comunes para evaluar los materiales,

es el ensayo de CBR, este permite caracterizar un tipo suelo y, así saber su capacidad

soportante y el uso al cual puede ser sometido dicho suelo.

Marco Conceptual.

Como lo describe Fredy A. Reyes Lizcano en su libro, Diseño Racional de

Pavimentos, el CBR es un ensayo que se encarga de caracterizar la capacidad soportante del

suelo, es decir, mide la resistencia del suelo, al evaluar los potenciales esfuerzos a los que

será sometido el suelo en estudio; sin embargo, no refleja de el efecto de la aplicación de las

cargas de tránsito.

El CBR juega un papel un papel importante en el diseño de pavimentos flexibles,

según se menciona en la norma ASTM D1883. Este índice se define más rigurosamente

como la relación (en porcentaje), entre la presión necesaria para penetrar los primeros 0.25

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cm de la muestra y la presión necesaria para tener la misma penetración en un material

arbitrario, adoptado como patrón.1 En la figura 1, se pueden observar algunas penetraciones

y presiones utilizadas como patrones.

La relación mencionada anteriormente se puede describir matemáticamente como:

(Ecuación 1)

El material en estudio se debe someter a las condiciones más críticas posibles que

puedan existir en el campo, por lo que después de realizada la compactación, la muestra

se satura durante cuatro días antes de fallarla con el pistón; de esta forma también es

posible considerar la expansión o contracción del material, ya que esto puede afectar

seriamente la estructura por hundimientos o abombamientos.

El CBR es utilizado para establecer un comportamiento de los suelos (Bowles

Joseph, Manual de laboratorio de suelos en ingeniería civil), para su utilización como base,

subbase o subrasante, tal como se muestra en la siguiente tabla:

Tabla Nº 1.

Clasificación de suelos partir del CBR.2

CB Clasificaci Uso SUCS AASHTO

1 Juárez Badillo E.; Rico Rodríguez A. (2004). Mecánica de Suelos. Tomo 2. México D.F.: Editorial Limusa S.A. de C.V.

2 Fuente: Bowles Joseph (1978). Manual de laboratorio de suelos en ingeniería civil (pp. 191)

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R ón General

0-3 Muy pobre Subrasa

nte OH, CH, MH, OL A5,A6,A7

3-7 Pobre

regular

Subrasa

nte OH, CH, MH, OL

A4,A5,A6,

A7

7-

20 Regular Subbase

OL,CL,ML,SC,SM

,SP

A2,A4,A6,

A7

20-

50 Bueno

Base –

Subbase

GM,GC,SW,SM,S

P,GP

A1b,A2-

5,A3,A2-6

>

50 Excelente Base GW, GM

A1a,A2-

4,A3

Fuente: Bowles Joseph (1978) Manual de laboratorio de suelos en ingeniería civil (pp.,

191).

Objetivos.

Objetivo General

• Determinar el valor del CBR.

Objetivos Específicos

• Obtener la gráfica esfuerzo contra penetración del suelo en estudio.

• Obtener el mayor porcentaje de expansión.

• Determinar el uso y la clasificación de la muestra de suelo.

Método y materiales.

Métodos y equipos basados según lo indicado en las normas ASTM D698 y

D1883.

I. Preparación de muestras para CBR.

Equipo

1. Malla Nº 2, ¾ y 3/8.

2. Balanza.

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3. Carretillo.

4. Lona.

Procedimiento.

Se recoge el material del lugar asignado, se necesitan tres carretillos llenos de

material. Se colocan sobre la lona y se realiza el cuarteo de la muestra. Una vez hecho

esto, se pasa el material por la malla Nº 4 y su retenido por las 2” y 3/4”. El material que

pasa la malla Nº 4 y la de 3/4” se pesan, se realiza la distribución de porcentajes para

obtener el peso de finos y gruesos. Ya separados los gruesos de los finos, se procede a

colocarlos en bolsas plásticas, 10 para finos (cada una con 4515 g de muestra) y 10 para

gruesos (2985 g de muestra).

II. Ensayo CBR.

Equipo

1. Molde de 152.4 mm de diámetro.

2. Pisón de 4.54 Kg.

3. Balanza.

4. Espaciador.

5. Filtros de papel y de metal.

6. Horno.

7. Extensómetro.

8. Máquina para compresión de muestras.

Procedimiento.

Para el ensayo de CBR se toman tres bolsas de finos y tres de gruesos. Se mezcla una

bolsa de fino con una de gruesos, se tendría entonces tres especímenes; a cada uno de ellos

se procede a agregarles, correspondiente a la humedad óptima obtenida en la prueba de

Proctor modificado. De cada muestra se separa una parte, que será utilizada para el

porcentaje de humedad. Posteriormente se realiza la compactación por capas (se necesitan

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cinco capas) en el molde para CBR para 65, 30 y 10 golpes. Una vez terminada la

compactación, se pesa la muestra y se sumerge en agua durante cuatro días, para determinar

su expansión. Por último se falla la muestra en la máquina de compresión y se mide la carga

para diferentes deformaciones.

Resultados.

Tabla Nº 2.a

Valores obtenidos al realizar la compactación para la prueba de CBR.

Nº Golpes Nº Molde WM (Kg.) Wt+WM (Kg) Wt (Kg) ɤt (Kg/m3) ɤd (Kg/m3) 65 3 7.163 11.822 7.163 2013.4 1710.33 30 7 7.182 11.809 7.182 1999.57 1699.88 10 (*) 7.168 11.821 7.168 2010.8 1713.66 Fuente: Elaboración propia.

Tabla Nº 2.b Determinación del porcentaje de humedad para CBR.

Nº Capsula Wcap (g) Wt+Wcap (g) Ws+Wcap (g) Ww (g) Ws (g) %w 1 111.08 757.75 660.42 97.33 549.34 17.727 111.62 1079.2 934.2 145 822.58 17.63202 109.56 1079.9 936.5 143.4 826.94 17.34Fuente: Elaboración propia.

Tabla Nº 3

Expansión

Nº Molde Lo L2D L3D % expansión 3 50 50 50 0% 7 50 49 51 0% (*) 50 51 51 2% Fuente: Elaboración propia.

Fuente: Elaboración propia.

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Tabla Nº 5

Determinación del CBR.

Penetración Nº de golpes Esfuerzo obtenido (MPA) Esfuerzo estándar (MPa) CBR

65 0.273 3.95

7

30 0.183 2.65

2 0.1"

(2.54mm)

10 0.161

6.9

2.333

65 0.452 0.04

4

30 0.317 0.03

1 0.2"

(5.08mm)

10 0.273

10.3

0.027

Fuente: Elaboración propia.

Gráfico Nº1

Resistencia vrs Penetración

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 2 4 6 8 10 12 14

Penetración (mm)

Esfuerzo (MPa)

65 golpes

30 golpes

10 golpes

.

Fuente: Elaboración propia.

CBR Obtenido

Penetración Nº de golpes CBR 65 3.957 30 2.652 0.1" (2.54mm) 10 2.333

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Gráfico Nº 2

%Compactción vrs CBR

91.4

91.6

91.8

92

92.2

92.4

92.6

0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500

% C

CBR

CBR 0.1"

CBR 0.2"

Fuente: Elaboración propia.

Análisis de Resultados.

Para la realización de la prueba de CBR, se utilizó un total 7500 g (4515 g de

finos y 2985 g de gruesos) para cada muestra, los cuales fueron separados por cuarteo y

tamizaje, para asegurar la representatividad de la muestra. Se trató de utilizar una

humedad de 13.4% (la óptima obtenida en el ensayo de Proctor), para tratar de alcanzar

un peso específico seco máximo. Sin embargo al observar la tabla Nº 2.b, se nota que la

humedad alcanzada fue de 17% en todas las muestras, mucho mayor que la necesitada;

esto puede deberse a que las muestras ya contenían cierta humedad, la cual era notable

cuando se recogieron las bolsas con las muestras de los estantes, se lograba observar

condensación dentro de la bolsa, por lo tanto se debió considerar esa humedad y nada

más sumarle el faltante.

En la tabla Nº 4, se logra observar, que luego de fallarlas en la máquina de

compresión, existe una relación entre el número de golpes dado a la muestra para la

muestra, y la fuerza necesaria para realizar las diferentes penetraciones. Se observa que

entre más profundo, se necesita más fuerza, además, entre más golpes haya recibido la

muestra, se necesita todavía más carga para lograr fallarla. Lo cual es de esperar, ya que

la muestra que recibió más golpes, está más compactada, tiene menos espacios entre sus

partículas; a diferencia de la muestra menos golpeada, la cual aún tiene muchos

espacios.

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En lo referente al CBR, se obtuvo 3.9, 2.6 y 2.3, para 65, 30 y 10 golpes

respectivamente, por lo que es posible afirmar que es un material muy pobre, que nada

más tiene utilidad en la construcción de vías como subrasante, sin embargo, cabe

recalcar que entre más compactado este, mejor es su calidad, mas no es suficiente para

servir de subbase. Otro aspecto importante es al observar el porcentaje de expansión, ya

que este se mantuvo entre 0% y 2% (entre las 3 muestras) por lo que se trata de un

material que no se expande fácilmente, tiene poca presencia de arcilla que pueda

absorber agua e hincharse.

Finalmente al observar, al observa el gráfico Nº 2, es claro que en algún momento

se cometió un error, ya que no se comporta del modo esperado, más cercano a una línea

recta con pendiente positiva, es todo lo contrario, más parabólica y con pendiente

negativa; además la muestra de 30 golpes, que se comportó como la “muestra del

medio” durante el proceso de callamiento, dando los esfuerzos del medio, no lo hizo en

el gráfico. También se debe hacer notar, que la observar detenidamente los datos, la

muestra menos compactad es la tiene un mayor peso específico seco, contrario a lo

esperado. Esto puede deberse, a que por un error de uno de los compañeros de grupo, la

muestra estuvo un día más en el horno, es decir, se dejó más tiempo del necesario en el

horno, esto afecta los resultados de alguna forma.

Conclusiones.

• No es posible alcanzar el peso específico seco máximo obtenido en el

Proctor, ya existe una variación en la humedad, esto afecta el valor del CBR.

• La gráfica de esfuerzo contra penetración permite conocer el

comportamiento en cuanto a deformación del suelo a medida que se varía la

carga aplicada sobre este.

• Cuanto mayor sea el valor del CBR, mayor es el grado de compactación

en el que se encuentra el suelo, lo que permite mejorar su calidad, dándole una

mayor resistencia.

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• El CBR permite saber el uso que se le puede dar a un tipo de suelo para

la construcción de carreteras.

• La expansión del suelo debe ser considerada, para evitar problemas de

hundimiento o levantamiento del suelo.

Bibliografía.

• Reyes Lizcano F. (2003). Diseño racional de pavimentos. Colombia:

Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.

• Juárez Badilla E y Rico Rodríguez A. (2004). Mecánica de suelos:

Teoría y aplicaciones de la mecánica de suelos, Volumen 2. México: Editorial

Limusa S.A. de C.V.

• Joseph Bowles (1980).Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería

Civil. Colombia: McGraw-Hill Latino Americana S.A

• ASTM D698 International (2003). Standard Test Methods for Laboratory

Compaction Characteristics of Soil Using Standard Effort (12,400 ft-lbf/ft3(600

kN-m/m3)).West Conshohocken. USA.

• ASTM D1883 International (2003). Standard Test Method for CBR

(California Bearing Ratio) of Laboratory-Compacted Soils. West

Conshohocken. USA.