Ensayo de Cbr

MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR EL VALOR SOPORTE CBR PARA UN SUELO COHESIVO

INV. E-148-07

JEISON JAMIT BULLA SILVA

URIEL RODRÍGUEZ FONSECA

JHON FREDY CALLEJAS PÉREZ

MANUEL ALEJANDRO VARGAS AYALA

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE TRANSPORTE Y VÍAS

PAVIMENTOS

TUNJA

2008

LABORATORIO No. 5 MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR EL VALOR SOPORTE CBR PARA UN SUELO COHESIVO

INV. E-148-07

JEISON JAMIT BULLA SILVA 1125479

URIEL RODRÍGUEZ FONSECA 981148

JHON FREDY CALLEJAS PÉREZ 1125523

MANUEL ALEJANDRO VARGAS AYALA 1125501

GRUPO No. 5

Profesor: Ing. CARLOS HERNANDO HIGUERA SANDOVAL MSc.

Materia: PAVIMENTOS

Monitor (a): GLORIA MARCELA NARANJO

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE TRANSPORTE Y VÍAS

TUNJA

2008

[ENSAYO DE CBR PARA UN SUELO COHESIVO]

[PAVIMENTOS]

GRUPO No. 5

LABORATORIO No. 2

MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR EL VALOR SOPORTE CBR PARA UN SUELO COHESIVOINV. E-148-07

1. OBJETIVOS

1.1. GENERAL

Determinar la resistencia a la penetración de un suelo compactado bajo condiciones controladas de humedad y densidad y que se expresa como una relación de soporte porcentual entre la carga unitaria del suelo y la carga unitaria patrón de la piedra picada, establecida por la penetración a una misma profundidad de un pistón de penetración.

1.2. ESPECÍFICOS

Determinar los valores de humedad, densidad seca, y CBR para cada punto de las diferentes energías de compactación.

2. MARCO DE REFERENCIA

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[PAVIMENTOS]

GRUPO No. 5

2.1. ENSAYO C.B.R.

El ensayo CBR (California Bearing Ratio) mide la carga necesaria para penetrar un pistón de dimensiones determinadas a una velocidad previamente fijada en una muestra compactada de suelo después de haberla sumergido en agua durante cuatro días y de haber medido su hinchamiento. El hecho de sumergir la muestra se debe a que así podemos prever la hipotética situación de acumulación de humedad en el suelo después de la construcción. Por tanto después de haber compactado el suelo y de haberlo sumergido, lo penetramos con un pistón el cual va conectado a un pequeño "plotter" que nos genera una gráfica donde se nos representa la carga respecto la profundidad a la que ha penetrado el pistón dentro de la muestra. Esta gráfica suele ser una curva con el tramo inicial recto y el tramo final cóncavo hacia abajo (si el tramo inicial no es recto se corrige). Una vez tenemos la gráfica miramos los valores de la carga que soportaba el suelo cuando el pistón se había hundido 2.5 mm y 5mm y los expresamos en tanto por ciento, tomando como índice CBR el mayor de los porcentajes calculados.

2.2. TIPOS DE C.B.R.

C.B.R. suelos remoldeados.C.B.R. suelos inalterados.C.B.R. suelos gravosos y arenosos.C.B.R. suelos cohesivos poco o nada plásticos.C.B.R. suelos cohesivos plásticos.

El experimento de suelos gravosos y arenosos se realiza inmediatamente en cambio en suelos cohesivos poco o nada plásticos y suelos cohesivos plásticos se realiza mediante expansión se efectuará con agua en 4 días saturación más desfavorable y la medida de expansión se realizar cada 24 horas.

El ensayo permite obtener un número de la relación de soporte pero, de la aseveración anterior, es evidente que éste número no es constante para un suelo dado, sino que se aplica al estado en el cuál se encontraba el suelo durante el ensayo. De paso, es interesante comentar que el experimento puede hacerse en el terreno o en un suelo compactado.

El número CBR (o simplemente CBR) se obtiene como la relación de la carga unitaria (en lbs/plg²) necesaria para lograr una cierta profundidad de penetración del pistón (con un área de 19.4 cm²) 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.El C.B.R. varía de acuerdo a la compactación del suelo su contenido de humedad al compactar y cuando se realiza el ensayo.

Los ensayos del C.B.R. pueden ser realizados “In Situ” usando el equipo correspondiente al laboratorio tanto en muestras inalteradas como en compactadas. Los ensayos “In situ” se realizan solamente en el suelo con el contenido de humedad existente.

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[PAVIMENTOS]

GRUPO No. 5

Han sido pensados procedimientos para preparar la muestra de laboratorio de diferentes clases de suelos con el fin de reproducir las condiciones que verdaderamente se producirán durante y después de la construcción. Estos procedimientos se aplican cuando le contenido de humedad durante la construcción va a ser el óptimo para tener la máxima densidad, además el suelo va a ser compactado al menos al 95%. Si se utilizarían otros medios para controlar la compactación, los procedimientos deberían ser modificados de acuerdo a ellos.

2.3. ECUACIÓN DEL CBR

De ésta ecuación se puede ver que el CBR es un porcentaje de la carga unitaria patrón. Los valores de carga unitaria que deben utilizarse en la ecuación son los siguientes:

El CBR usualmente se basa en la relación de carga para una penetración de 2.5 mm. Sin embargo, si el valor de CBR a una penetración de 5.0 mm. es mayor el ensayo debería repetirse. Si un segundo ensayo, produce nuevamente un valor de CBR mayor de 5.0 mm. de penetración, dicho valor debe aceptarse como valor final del ensayo.

Los ensayos de CBR se hacen usualmente sobre muestras compactadas al contenido de humedad óptima para el suelo específico determinado, utilizando el ensayo de compactación.

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[PAVIMENTOS]

GRUPO No. 5

Figura 1. Aparato para determinar el CBRFuente: Instituto Nacional de Vías. Norma INV E-148-07

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[PAVIMENTOS]

GRUPO No. 5

3. EQUIPOS Y MATERIALES

Prensa utilizada para forzar la penetración de un pistón en el espécimen. La capacidad de la prensa y su sistema para la medida de carga debe ser de 44.5 kN (10000 Ibf) o más y la precisión mínima en la medida debe ser de 44 N (10 lbf) o menos.

Molde, de metal, cilíndrico, de 152,4mm ± 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 de metal suplementario de 50.8 mm (2.0") de altura y una placa de base perforada de 9.53 mm (3/8") de espesor. La base se deberá poder ajustar a cualquier extremo del molde.

Disco espaciador, de metal, de forma circular, de 150.8 mm (5 15/16”) de diámetro exterior y de 61,37 ± 0,127 mm (2,416 ± 0,005”) de espesor, para insertarlo como falso fondo en el molde cilíndrico durante la compactación.

Pisón de compactación como el descrito en el ensayo Proctor Modificado.

Aparato medidor de expansión compuesto por:

Una placa de metal perforada, por cada molde, de 149.2 mm (5 7/8") 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").

Pesas. Uno o dos pesas anulares de metal que tengan una masa total de 4,54 ± 0,02kg y pesas ranuradas de metal cada una con masas de 2,27 ± 0,02 kg. Las pesas anular y ranurada deberán tener 5 7/8” a 5 15/16” (149,23 mm a 150,81 mm) en diámetro; además de tener la pesa anular un agujero central de 2 1/8” aproximado (53,98 mm) de diámetro.

Pistón de penetración, metálico de sección transversal circular, de 49.63 ± 0,13 mm (1,954 ± 0,005”) de diámetro, área de 19.35 cm2 (3 pulg2) y con longitud necesaria para realizar el ensayo de penetración con las sobrecargas precisas, pero nunca menor de 101.6 mm (4").

Dos diales con recorrido mínimo de 25 mm (1") y divisiones lecturas 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.

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GRUPO No. 5

Una Poza, con capacidad suficiente para la inmersión de los moldes en agua.

Horno de secado o estufa capaz de mantener una temperatura de 110 ± 5ºC (230 ± 9 ºF).

Balanzas, una de 20 kg de capacidad y otra de 1000 g con sensibilidades de 1g y 0.1g, respectivamente.

Tamices, de 4.76 mm (No. 4) y 19.05 mm (3/4").

Varios, de uso general como cuarteador, mezclador, cápsulas, probetas, espátulas, papel de filtro del diámetro del molde, etc.

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GRUPO No. 5

4. PROCEDIMIENTO

1. Se preparó una muestra de suelo de grano fino (en cantidad suficiente para hacer 12 probetas) menor que el tamiz # 4, al contenido de humedad óptima del suelo determinado con el ensayo de Proctor Modificado.

2. Antes de compactar el suelo en los moldes, se tomó una muestra representativa para determinar su contenido de humedad (por lo menos 100 g).

3. Se pesaron los moldes sin su base ni el collar.

4. Para cada molde se ajustó el molde a la base, insertando el disco espaciador en el molde y cubriéndolo con un disco de papel filtro.

5. Se fabricaron 12 probetas de 5 capas cada una: 4 de 12 golpes por capa, 4 de 26 golpes por capa y 4 de 56 golpes por capa.

6. Para cada molde se retiró la base, el collar y el disco espaciador, se pesó el molde con el suelo compactado y se determinó el peso unitario total del suelo.

7. Se colocó un disco de papel filtro sobre la base, invirtiendo la muestra y asegurando el molde a la base de forma que el suelo quedara en contacto con el papel filtro.

8. Se colocó la placa perforada con el vástago ajustable sobre el suelo compactado y se aplicaron suficientes pesas para obtener la sobrecarga deseada, cuidando que no fuera inferior a 4.5 kg. Se aseguró de usar un disco de papel filtro entre la base perforada del vástago y el suelo para evitar que el suelo se pegara a la base del vástago.

9. Se sumergieron el molde y las pesas en un recipiente de agua de forma que el agua tuviera acceso tanto a la parte superior como a la parte inferior de la muestra y se ajustó el deformímetro (con lecturas al 0.01 mm) en su respectivo soporte; marcando sobre el molde los puntos donde se apoyaba el soporte de forma que pudiera removerse y volviendo a colocarlo sobre el molde en el mismo sitio cuando se deseara hacer una lectura.

10. Se ajustó el cero del deformímetro de expansión y se registró el tiempo de comienzo del ensayo. Se tomaron las lecturas a 0, 1, 2, 4, 8, 12, 24, 36, 48, 72 y 96 horas de tiempo transcurrido; el ensayo de expansión pudo terminarse después de 48 horas si las lecturas en el deformímetro de expansión se mantenían constantes por lo menos durante 24 horas.

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11. Al final de las 96 horas de inmersión, se sacó la muestra y se dejó drenar por espacio de 15 min; se secó completamente la superficie superior de la muestra con toallas de papel.

12. Se pesó la muestra sumergida incluyendo el molde.

13. Se tomaron muestras para contenido de humedad de las muestras saturadas de la siguiente forma:

2 dentro de los 3 cm superiores del suelo.2 dentro de los 3 cm inferiores del suelo.2 en el centro de la muestra de suelo.

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GRUPO No. 5

5. DATOS OBTENIDOS Y CÁLCULOS

5.1. TABLAS DE DATOS DEL ENSAYO CBR

Pesodel Material Humedo=5000gr

Pesodel Material Seco= Pesodel Material Humedo1+Wn

Volumende Agua Adicional= PesoSeco∗Humedad Adicional100

Pesodel Material Seco Compactado=PesoMaterial HumedoCompactado1+Wmuestra

Densidad Seca Suelta= Peso SecoMaterialCompactadoVmolde

Humedad deCompactación=PesoMaterial Humedo−PesoMateri al SecoPesoMaterial Seco−PesoCapsula

Humedad CBR

12 GOLPES 12,54 1,51

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Humedad Densidad Seca

12 GOLPES

12,28 1,6015,33 1,7118,75 1,7522,71 1,58

26 GOLPES

10,01 1,6514,87 1,8117,20 1,7119,94 1,58

56 GOLPES

11,2 1,6714,08 1,8316,98 1,8420,15 1,68


[PAVIMENTOS]

GRUPO No. 5

15,43 6,8018,50 5,1622,87 0,64

26 GOLPES

9,43 2,7014,34 8,3017,56 7,9021,30 4,60

56 GOLPES

11,43 4,4214,67 14,6416,54 4,6321,34 1,09

5.2. CURVAS DE COMPACTACIÓN

γdmáx=1,75

Wópt=17,45%

1,52

1,56

1,60

1,64

1,68

1,72

1,76

10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 22,00 24,00

Den

sida

d Se

ca,

γd (

gr/c

m³)

Humedad, W (%)

Curva de Compactación 12 Golpes

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[PAVIMENTOS]

GRUPO No. 5

γdmáx=1,79

Wópt=14,38%1,52

1,57

1,62

1,67

1,72

1,77

1,82

9,00 11,00 13,00 15,00 17,00 19,00 21,00

Den

sida

d Se

ca,

γd (

gr/c

m³)

Humedad, W (%)


γdmáx=1,85

Wópt=15,74%1,62

1,67

1,72

1,77

1,82

1,87

10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00

Den

sida

d Se

ca,

γd (

gr/c

m³)

Humedad, W (%)


5.3. GRÁFICAS

5.4. CÁLCULO DE LA HUMEDAD Y DENSIDAD DE EQUILIBRIO POR EL MÉTODO DEL INVIAS.

LL = 29,8%LP = 13,9%GS = 2, 75

LL=29,8% Granulometría

a=Ret ¿4=0%b=Pasa¿4−Ret ¿40=0%

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[PAVIMENTOS]

GRUPO No. 5

c=Pasa¿40=100%

Densidad SecaMáxima γdmáx=1,85 gr /cm3

HumedadÓptima=15,74%

Indicede Plasticidad Promedio

IP=¿−LPIP=15,9%

Límite LíquidoCorregido ,≪'

L L'=¿∗c100

=29,8∗100100

=29,8 %

PesoUnitario SecoSuelto

γ L=100

100Gbm

+¿ '= 1001002,75

+29,8%=1,51 g/cm3

RazóndeCompactación , Rc

Rc=1−( logL L'−0,644,4 )=1−( log 29,8−0,644,4 )=0,81

Cálculo de laDen sidad de Equilibrio , γA

γ A=Rc (γ d−γ L )+γ L=0,81∗(1,85−1,51 )+1,51=1,79 gr /cm3

Cálculo de laHumedad de Equilibrio

W A=(100γ A)−(100γ d

)+W ópt=( 1001,79 )−( 1001,85 )+15,74=17,55%

5.5. CÁLCULO DE LA HUMEDAD Y DENSIDAD DE EQUILIBRIO POR EL MÉTODO DE LOS INGENIEROS ARGENTINOS RUIZ Y SANTÁNGELO

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[PAVIMENTOS]

GRUPO No. 5

LL=29,8%

Límite LíquidoCorregido ,≪'

L L'=¿∗%Pasa ¿40 ¿100

=29,8∗100100

=29,8%

Densidad SecaMáxima γdmáx=1,85gr

cm3=DD

HumedadÓptima=15,74%=HO

Indicede Plasticidad Promedio

IP=¿−LPIP=15,9%

Densidad Suelta , DL

DL=1,51 gr /cm3

Densidad SueltaCorregida , D 'L

D 'L=100

%Pasa40DL

+%Ret40

Pesp

= 1001001,51

+02,75

=1,51 g/cm3

Cálculo de laDensidad de Equilibrio, De

De=(1−( log≪'−0,644,4 ))∗(DD−DL )+DL

De=(1−( log29,8−0,644,4 ))∗(1,85−1,51 )+1,51

De=1,79 gr /cm3


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[PAVIMENTOS]

GRUPO No. 5

H e=(100De)−(100DD

)+H o=( 1001,79 )−( 1001,85 )+15,74%=17,55%

5.6. CÁLCULO DE LA HUMEDAD Y DENSIDAD DE EQUILIBRIO POR EL MÉTODO DE CHESTER McDOWELL

LL=29,8%

El método parte de la información obtenida del método INV. E-146-07 y del método de los Ing. Argentinos Ruiz y Santángelo.

Densidad SecaMáxima DD=1,85gr /cm3

HumedadÓptimaH O=15,74%

Densidad Suelta DL=1,51gr /cm3

Cálculo de laDensidad de Equilibrio, De

De=(0,58+ DL

6,25 )∗(DD−DL)+DL

De=(0,58+ 1,516,25 )∗(1,85−1,51 )+1,51

De=1,79 gr /cm3


En la curva de compactación, pasando una paralela a la curva de saturación s=100%, por el γdmáx y entrando con la densidad de equilibrio De=1,79gr/cm3, hasta cortar la curva paralela a la curva de saturación y se obtiene la humedad de equilibrio He= ¿??

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[PAVIMENTOS]

GRUPO No. 5

γdmáx=1,85

Wópt=15,74% He=17,64%

De=1,79

1,62

1,65

1,68

1,71

1,74

1,77

1,80

1,83

1,86

1,89

10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 22,00

Den

sida

d Se

ca,

γd (

gr/c

m³)

Humedad, W (%)

Curva de Compactación

6. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

De acuerdo al ensayo de compactación se puede decir que al obtener una densidad seca máxima de 1.897 gr/cm³, se va disminuyendo la relación de vacíos hasta encontrar el punto óptimo y proporcionalmente con la porosidad, dándose de esta manera las relaciones esperadas para un ensayo de proctor modificado.

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[PAVIMENTOS]

GRUPO No. 5

Con la gráfica podemos evidenciar la relación entre la humedad y la densidad seca puesto que al incrementarse la humedad se incrementa la densidad, fenómeno que se presenta hasta cierto punto máximo de densidad seca, de este punto en adelante se presenta una relación inversa pues un incremento de humedad trae consigo una disminución de la densidad seca.

En cuanto a la relación entre humedad y relación de vacios se puede afirmar que en la medida en que la humedad aumenta se reduce la relación de vacios del suelo hasta el punto en que se encuentra la humedad óptima de compactación. De este punto en adelante el fenómeno se presenta de manera inversa puesto que a medida que aumenta la humedad, la relación de vacios se hace mayor.

Al obtener la relación humedad - porosidad es preciso decir que la porosidad se reduce en la medida en que aumenta la humedad hasta el punto de humedad óptima de compactación, pues de este punto en adelante al incrementarse la humedad la porosidad aumenta de igual manera.

Las curvas de saturación para los diferentes porcentajes representan la densidad seca del suelo en estado de saturación. Esto equivale a que los vacios, estén totalmente ocupados por agua.

CONCLUSIONES

Con esta prueba se obtiene la humedad óptima de compactación así como, el peso específico seco máximo, con la finalidad de obtener una muy buena compactación en campo si se reproducen las condiciones en las que se realiza la práctica en el laboratorio; ofrece resultados confiables que si realmente se cumplen en campo se pueden obtener resultados satisfactorios.

Con la compactación variamos la estructura del suelo y algunas de sus características mecánicas. Algunos de los parámetros que varían con la compactación son: permeabilidad, peso específico y

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resistencia al corte. A través de la compactación buscamos las propiedades adecuadas para el suelo, así como una buena homogenización.

Es comprobado que el suelo se compacta a la medida en que aumenta su humedad, la densidad seca va aumentando hasta llegar a un punto máximo, cuya humedad es la óptima. A partir de este punto, cualquier aumento de humedad no supone mayor densidad seca a no ser, por lo contrario, uno reducción de esta.

Con la realización de la prueba de compactación, se logra aumentar la resistencia al corte, y por consiguiente, mejorar la estabilidad, de terraplenes y la capacidad de carga en los pavimentos.

Al disminuir la relación de vacíos, se logra con esto, también, reducir la permeabilidad.

Con esta prueba se obtiene la humedad óptima de compactación así como, el peso específico seco máximo, con la finalidad de obtener una muy buena compactación en campo si se reproducen las condiciones en las que se realiza la práctica en el laboratorio; ofrece resultados confiables que si realmente se cumplen en campo se pueden obtener resultados satisfactorios.

BIBLIOGRAFÍA

HIGUERA SANDOVAL, Carlos Hernando. Nociones sobre métodos de diseño de estructuras de pavimentos para carreteras. Escuela de Transporte y Vías. Facultad Ingeniería. UPTC.

RAMÍREZ, Oscar. Apuntes de clase de Geotecnia Básica. Ed. Tunja: UPTC. 2001.

BADILLO Juárez y RODRÍGUEZ Rico. Mecánica de Suelos Fundamentos. Editorial Limusa. México. 1977.

INVIAS. Normas de Ensayos de Laboratorio. Norma INV. E-142-07. 2006.

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[PAVIMENTOS]

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INFOGRAFÍA

www.unalmed.edu.co/~geotecni/GG-17.pdf

www.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/mecanica6.htm

www.geocities.com/geotecniaysuelos/cap14.pdf

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http://www.geocities.com/geotecniaysuelos/cap14.pdf

http://www.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/mecanica6.htm

http://www.unalmed.edu.co/~geotecni/GG-17.pdf

TABLA DE CONTENIDO

1. OBJETIVOS.................................................................................................................................................1

1.1. GENERAL...........................................................................................................................................1

1.2. ESPECÍFICOS....................................................................................................................................1

2. MARCO DE REFERENCIA..........................................................................................................................2

2.1. COMPACTACIÓN...............................................................................¡Error! Marcador no definido.

2.2. BENEFICIOS DE LA COMPACTACIÓN.............................................¡Error! Marcador no definido.

3. EQUIPOS Y MATERIALES..........................................................................................................................5

4. PROCEDIMIENTO.......................................................................................................................................6

5. DATOS OBTENIDOS Y CÁLCULOS...........................................................................................................7

5.1. INFORMACIÓN DEL ENSAYO DE COMPACTACIÓN......................................................................7

5.2. CURVA DE COMPACTACIÓN...........................................................................................................8

5.3. GRÁFICAS..........................................................................................................................................9

5.4. RESUMEN DE RESULTADOS.........................................................................................................10

5.5. RESULTADOS PUNTO ÓPTIMO.....................................................................................................10

6. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS...........................................................................................................11

CONCLUSIONES...............................................................................................................................................12

BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................................................................13

INFOGRAFÍA......................................................................................................................................................13

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