Informe de CBR
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OBJETIVO
Caracterizar mecnicamente el material para Base granular de la cantera de
Chiguata mediante el ensayo normalizado de CBR, obteniendo dicho ndice para
el 95% de la densidad mxima del Proctor Modificado.
Introduccin
Para el ingeniero de carreteras, el comportamiento mecnico del suelo (que es
una estructura resistente), es sin duda el factor ms importante; las propiedades
y los ensayos vistos anteriormente van encaminados a conseguir la mayor
estabilidad mecnica posible, de manera que las tensiones se transmitan
uniforme y progresivamente y no produzcan asientos excesivos o colapsos.
El ensayo se basa en el modo operativo propuesto por MTC E 132, su
actualizacin del ao 2000, que adaptan las normas ASTM D1883 y AASHTO T
193 al nivel de implementacin y a las condiciones de la realidad peruana.
La capacidad portante de un suelo puede definirse como la carga que ste es
capaz de soportar sin que se produzcan asientos excesivos.
El indicador ms empleado en carreteras para determinar la capacidad portante
de un suelo es el ndice CBR (California Bearing Ratio), llamado as porque se
emple por primera vez en el estado de California. Este ndice est calibrado
empricamente, es decir, se basa en determinaciones previamente realizadas en
distintos tipos de suelos y que han sido convenientemente tabuladas y
analizadas.
La determinacin de este parmetro se realiza mediante el correspondiente
ensayo normalizado, y que consiste en un procedimiento conjunto de
hinchamiento y penetracin.
El hinchamiento se determina sometiendo la muestra a un proceso de inmersin
durante 4 das, aplicando una sobrecarga equivalente a la previsible en
condiciones de uso de la carretera. Se efectuarn dos lecturas una al inicio y
otra al final del proceso empleando un trpode debidamente calibrado. El
hinchamiento adquiere una especial importancia en suelos arcillosos o con alto
contenido en finos, ya que puede provocar asientos diferenciales, origen de
diversas patologas en todo tipo de construcciones.
El ensayo de penetracin tiene por objetivo determinar la capacidad portante del
suelo, presentando una estructura similar al SPT (Standard Penetration Test)
empleado en Geotecnia. Se basa en la aplicacin de una presin creciente
efectuada mediante una prensa a la que va acoplado un pistn de seccin
anular- sobre una muestra de suelo compactada con una humedad ptima
Prctor. La velocidad de penetracin de la carga tambin est normalizada,
debiendo ser de 1,27 mm/min.
El ndice CBR se define como la relacin entre la presin necesaria para que el
pistn penetre en el suelo una determinada profundidad y la necesaria para
-
conseguir esa misma penetracin en una muestra patrn de grava machacada,
expresada en tanto por ciento.
Generalmente se toman diversos pares de valores presin-penetracin,
construyndose una grfica como la de la siguiente figura; en ella, se toman los
valores correspondientes a una profundidad de 2.54 y 5.08 mm. (0.1 y 0.2
pulgadas), comparndose con los de la muestra patrn para dichas
profundidades. El ndice CBR del suelo ser el mayor de los dos obtenidos.
-
Materiales
A simple vista, se trata de un material granular con finos adheridos, proviene de
la cantera de Chiguata, en Arequipa. Se puede apreciar que tiene un tamao
mximo de aproximadamente 3 pulgadas de dimetro.
El material se trata de una grava bien graduada con finos (GW con finos), segn
la clasificacin SUCS. El material se trata de un tipo A-1-b segn la clasificacin
AASHTO.
Para el material se espera una densidad ptima del orden de 2.0 a 2.25 g/cm3 y
un C.B.R. in situ del orden de 60% - 80%. (Ban Blzquez, Luis; Bevi Garca,
Jos Francisco. Manual de carreteras. Alicante : Ortiz e Hijos, Contratistas de
Obras, S.A., 2000. Vol. 2 )
El material se enmarca en la gradacin B, del manual de carreteras -
especificaciones tcnicas generales para construccin- EG 2013.
Mediante el ensayo normalizado de Proctor Modificado, con una energa de
compactacin del 2,700KN*m/m3, se tuvo contenido ptimo de humedad: 8.2%,
Peso Volumtrico seco Mximo: 1.968 g/cm3)
Gravedad especifica de los slidos 2.59
-
Lista de materiales y Equipo
Tamiz #4, tamiz 3/8" o tamiz " (segn sea el mtodo A, B o C )
Bolsas de plstico, para conservar la humedad de las muestras
Molde de CBR (con la peculiaridad de que su base esta perforada), de metal,
cilndrico, de 152,4mm 0.66 mm (6 0.026") de dimetro 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. Las perforaciones de la base no excedern de 1,6 mm (28 1/16) las
mismas que debern estar uniformemente espaciadas en la circunferencia
interior del molde de dimetro.
Martillo de Proctor modificado, El pisn debe caer libremente a una distancia de
18 0,05 pulg (457,2 1,6 mm) de la superficie de espcimen. La masa del
pisn ser 10 0,02 lb-m (4,54 0,01 kg). La cara golpeante del pisn deber
ser plana y circular con un dimetro de 2,000 0,005 pulg (50,80 0,13 mm)
-
-Disco espaciador, de metal, de forma circular, de 150.8 mm (5 15/16) de
dimetro exterior y de 61,37 0,127 mm (2,416 0,005) de espesor.
-Regla metlica y vernier, para tomar las dimensiones del molde.
-Papel filtro, para la inmersin de la muestra
-
-Enrasador, para darle la terminacin lisa a la superficie de la muestra
compactada, en el molde de CBR.
-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 debern tener 5 7/8 a 5 15/16 (149,23 mm a
150,81 mm) en dimetro; adems de tener la pesa, anular un agujero central de
2 1/8 aproximado (53,98 mm) de dimetro. (Que simulen la sobrecarga de las
capas superiores del pavimento). A falta de instrucciones concretas al respecto,
se puede determinar el espesor de las capas que se han de construir por encima
del suelo que se ensaya (cada 15 cm (6") de espesor de estructura del pavimento
corresponde aproximadamente a 4,54 kg (10 lb) de sobrecarga)
-
-Disco perforado, una placa de metal perforada, por cada molde, de 149.2 mm
(5 7/8") de dimetro, cuyas perforaciones no excedan de 1,6 mm (1/16") de
dimetro. Estar provista de un vstago en el centro con un sistema de tornillo
que permita regular su altura
-Trpode, cuyas patas puedan apoyarse en el borde del molde, que lleve
montado y bien sujeto en el centro un dial (deformmetro), cuyo vstago coincida
con el de la placa, de forma que permita controlar la posicin de ste y medir la
expansin, con aproximacin de 0.025 mm (0.001"),para medir expansiones en
el ensayo.
-Tanque, cubeta o un espacio donde sumergir un molde de unas 8 pulgadas de
altura (profundidad mnima).
-
-Prensa de CBR, utilizada para forzar la penetracin de un pistn en el
espcimen. El pistn se aloja en el cabezal, metlico de seccin transversal
circular, de 49.63 0,13 mm (1,954 0,005) de dimetro, rea de 19.35 cm2 (3
pulg2) y con longitud necesaria para realizar el ensayo de penetracin. La
capacidad de la prensa y su sistema para la medida de carga debe ser de 44.5
kN (10000 Ibf).
Deformimetro digital, adaptable a la prensa de CBR
-
Capsulas para contenido de humedad
Horno de temperatura regulable, capaz de mantener una temperatura de 110
5 C
-Balanza con capacidad de 30 Kg y sensibilidad de +/- 01 gramo
-Balanza con capacidad de 6Kg y sensibilidad de +/- 0.01 gramo
-Bandejas y cucharones
-Esptulas
-
Procedimiento de Ensayo
Previamente se debe contar con el dato de la humedad ptima del ensayo de
Proctor Modificado. Para el mtodo seleccionado (Proctor A, B o C) se prepara
material suficiente (aproximadamente 5500 gramos de material hmedo por
cada molde a ensayar) al contenido de humedad del Proctor modificado, para
tres moldes de material pasante de la malla oportuna (tamiz #4, tamiz 3/8" o
tamiz " , segn sea el mtodo A, B o C correspondientemente), se guarda en
bolsas, se deja curar hasta el da siguiente.
Al da siguiente, se toma el peso del molde de CBR (sin collarn).
-
Se ensambla el molde de manera que en la parte inferior quede el disco
espaciador, colocando sobre la base el disco espaciador y encima el molde
propiamente dicho, luego se ajustan los tornillos, as, se le toman las
dimensiones al molde de CBR (en este caso, se tomaron 3 alturas internas y 3
dimetros)
Se preparan discos de papel filtro, que se colocaran en la base inferior de la
muestra justo por encima del disco espaciador.
Se le ajusta el collarn al molde de CBR para iniciar el ensayo.
Para el primer punto
Se vierte una cantidad de suelo, correspondiente a la quinta parte del
volumen del molde (restante, dado que en la parte inferior se ha colocado
el disco espaciador)
Se aplican varios golpes de cada del martillo en cada capa (en este caso
12 golpes por capa).Se van compactando las 5 capas de material, hasta
que para la quinta capa se alcanza una altura ligeramente superior a la
marca del collarn
-
Se retira el collarn, se enrasa con el enrasador.
Se le da la vuelta al molde, previamente se le coloca otro disco de papel
filtro, se desajustan los tornillos, se invierte el molde, se retira el disco
espaciador, se encaja la marca de la base y el molde, se vuelven a ajustar
los tornillos. Y se pesa (molde con muestra hmeda)
Para el segundo y tercer punto, se procede de la misma manera, solamente
variando el nmero de golpes por capa (para el segundo, 25 golpes y para el
tercero 56 golpes por capa)
-
En cada caso, un vez invertido el molde se procede al ensayo de expansin,
mediante inmersin. As:
Se podr notar que queda un espacio en la parte superior del molde de
CBR, aun sin el collarn. Se colocan pesas (que simulen la sobrecarga de
las capas superiores del pavimento) sobre un disco perforado.
Se prepara el trpode con el deformimetro de reloj, para medir
expansiones en el ensayo.
Se coloca el disco perforado con las pesas sobre el molde con la muestra
"de cabeza", encajando en el espacio que quedo en la parte superior del
molde de CBR.
-
Se procede a sumergir el conjunto.
Una vez sumergido se apoya el trpode sobre los bordes del molde y con
la aguja del deformimetro "en contacto" con el disco perforado.
Se deja saturar el conjunto por 4 das (en este caso, solo se lo dejo por un
da)
Al cabo de estos 4 das, se retira el trpode, se toma la lectura del deformimetro
de reloj (que ser la expansin del material), si hubiera.
Se retiran las pesas, y se toma el peso del molde con muestra saturada.
-
Luego se realiza el ensayo de penetracin en la prensa CBR.
Se lleva el conjunto a la prensa y se coloca en el orificio central de la pesa,
el pistn de penetracin y se aade el resto de la sobrecarga, hasta
completar la que se utiliz en la inmersin, y se aplica una carga (elevando
el molde contra el pistn fijo) suficiente para que el pistn asiente sobre la
muestra compactada.
Se registran penetraciones (en pulgadas, medidas con un deformimetro
digital) y se anotan las lecturas de carga para las siguientes
penetraciones: 0.025, 0.05, 0.075, 0.10 ,0.125, 0.150, 0.20, 0.30, 0.40 y
0.50 pulgadas hasta cuanto resista la prensa.
Se retira el molde, con la base y los tornillos de la prensa de CBR y se
toman muestras para contenido de humedad.
-
Datos obtenidos en Laboratorio
12 GOLPES
N Ensayo
1 2
Wmol+sh (g)
12308 12556
Wmol (g) 8115 8115
Wsh (g)
Vmol (cm3)
2199.06 2199.06
Yh (g/cm3)
ID lat y5 y6 07.09.0 07.09.1
Wlat (g) 20.62 21.42 27.83 26.26
Wlat+sh (g)
42.85 45.05 102.58 82.32
Wlat+ss (g)
41.08 43.15 93.81 74.86
25 GOLPES
N Ensayo
1 2
Wmol+sh (g)
12587 12751
Wmol (g) 8193 8193
Wsh (g)
Vmol (cm3)
2165.15 2165.15
Yh (g/cm3)
ID lat s4 s5 s4 s5
Wlat (g) 21.03 20.87 21.03 20.87
Wlat+sh (g)
40.16 37.7 51.3 46.45
Wlat+ss (g)
38.57 36.31 47.99 43
-
56 GOLPES
N Ensayo
1 2
Wmol+sh (g)
12645 12816
Wmol (g) 8097 8097
Wsh (g)
Vmol (cm3)
2184.73 2184.73
Yh (g/cm3)
ID lat s1 y2 s1 y2
Wlat (g) 20.69 20.86 20.69 20.86
Wlat+sh (g)
51.33 56.43 65.64 57.54
Wlat+ss (g)
48.77 53.65 60.09 53.6
-
Clculos realizados y Resultados:
12 GOLPES
N Ensayo 1 2
Wmol+sh (g)
12308 12556
Wmol (g) 8115 8115
Wsh (g) 4193 4441
Vmol (cm3) 2199.06 2199.06
Yh (g/cm3) 1.907 2.020
ID lat y5 y6 07.09.0 07.09.1
Wlat (g) 20.62 21.42 27.83 26.26
Wlat+sh (g) 42.85 45.05 102.58 82.32
Wlat+ss (g) 41.08 43.15 93.81 74.86
Ww (g) 1.77 1.9 8.77 7.46
Ws (g) 20.46 21.73 65.98 48.6
w (%) 8.65% 8.74% 13.29% 15.35%
wprom (%) 8.70% 14.32%
Yd (g/cm3) 1.754 1.767
25 GOLPES
N Ensayo 1 2
Wmol+sh (g)
12587 12751
Wmol (g) 8193 8193
Wsh (g) 4394 4558
Vmol (cm3) 2165.15 2165.15
Yh (g/cm3) 2.029 2.105
ID lat s4 s5 s4 s5
Wlat (g) 21.03 20.87 21.03 20.87
Wlat+sh (g) 40.16 37.7 51.3 46.45
Wlat+ss (g) 38.57 36.31 47.99 43
Ww (g) 1.59 1.39 3.31 3.45
Ws (g) 17.54 15.44 26.96 22.13
w (%) 9.06% 9.00% 12.28% 15.59%
wprom (%) 9.03% 13.93%
Yd (g/cm3) 1.861 1.848
-
56 GOLPES
N Ensayo
1 2
Wmol+sh (g)
12645 12816
Wmol (g) 8097 8097
Wsh (g) 4548 4719
Vmol (cm3)
2184.73 2184.73
Yh (g/cm3)
2.082 2.160
ID lat s1 y2 s1 y2
Wlat (g) 20.69 20.86 20.69 20.86
Wlat+sh (g)
51.33 56.43 65.64 57.54
Wlat+ss (g)
48.77 53.65 60.09 53.6
Ww (g) 2.56 2.78 5.55 3.94
Ws (g) 28.08 32.79 39.4 32.74
w (%) 9.12% 8.48% 14.09% 12.03%
wprom (%)
8.80% 13.06%
Yd (g/cm3) 1.913 1.910
-
Ensayo de Penetracin:
12 GOLPES
penetracin F (lb)
0.025 45.69
0.05 108.18
0.075 177.91
0.1 263.57
0.15 468.24
0.2 661.35
0.3 954.03
0.4 1238.3
0.5 1577.02
25 GOLPES
penetracin F (lb)
0.025 103.94
0.05 348.63
0.075 727.61
0.1 1086.77
0.15 1686.02
0.2 2166.61
0.3 2800.64
0.4 3378.51
0.5 3830.16
56 GOLPES
penetracin F (lb)
0.025 161.62
0.05 835.28
0.075 1842.93
0.1 2968.85
0.15 5323.77
0.2 7395.8
0.21 7728.75
-
12 GOLPES
penetracion esf (psi)
0.025 15
0.05 36
0.075 59
0.1 88
0.15 156
0.2 220
0.3 318
0.4 413
0.5 526
-
12 GOLPES
Penetracin
esf, segn regresion
0.034 0.0
0.05 21.6
0.075 55.8
0.1 90.0
0.15 158.4
0.2 216.1
0.3 320.9
0.4 411.9
0.5 489.0
nuevo eje de penetracion esf(psi)
0.00 0.0
0.02 21.6
0.04 55.8
0.07 90.0
0.12 158.4
0.17 216.1
0.27 320.9
0.37 411.9
0.47 489.0
0.1 135.1 0.2 253.7
-
12 GOLPES
0.1 = 100 esf0.1
1000
0.1 = 100 135.1
1000
0.1 = 14
0.2 = 100 esf0.2
1500
0.2 = 100 253.7
1500
0.2 = 17
densidad seca 1.767
-
25 GOLPES
penetracion esf (psi)
0.025 35
0.05 116
0.075 243
0.1 362
0.15 562
0.2 722
0.3 934
0.4 1126
0.5 1277
-
25 GOLPES
penetracion esf segn regresion
0.007 0
0.05 144
0.075 249
0.1 348
0.15 533
0.2 697
0.3 964
0.4 1151
0.5 1257
nuevo eje de penetracion
esf segn regresion
0.000 0
0.043 144
0.068 249
0.093 348
0.143 533
0.193 697
0.293 964
0.393 1151
0.493 1257
0.1 369.1
0.2 718.2
-
25 GOLPES
0.1 = 100 esf0.1
1000
0.1 = 100 369.1
1000
0.1 = 37
0.2 = 100 esf0.2
1500
0.2 = 100 718.2
1500
0.2 = 48
densidad seca 1.848
-
56 GOLPES
penetracion esf (psi)
0.025 53.9
0.05 278.4
0.075 614.3
0.1 989.6
0.15 1774.6
0.2 2465.3
0.21 2576.3
y = -767004x3 + 204115x2 - 2970.8x + 12.557
y = -21350x2 + 21097x - 907.23
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
-
56 GOLPES
penetracion esf segn regresion
0.038 0.0
0.050 197.2
0.075 593.1
0.100 989.0
0.150 1776.9
0.200 2458.2
0.300 3500.4
0.400 4115.6
0.500 4303.8
nuevo eje de penetracion
esf segn regresion
0.000 0.0
0.012 197.2
0.037 593.1
0.062 989.0
0.112 1776.9
0.162 2458.2
0.262 3500.4
0.362 4115.6
0.462 4303.8
0.1 1579.5
0.2 2903.3
-
56 GOLPES
0.1 = 100 esf0.1
1000
0.1 = 100 1579.5
1000
0.1 = 158
0.2 = 100 esf0.2
1500
0.2 = 100 2903.3
1500
0.2 = 194
densidad seca 1.910
-
DENSIDAD SECA
CBR (%)
1.767 17
1.848 48
1.91 194
Mediante el ensayo normalizado de Proctor Modificado, con una energa de
compactacin del 2,700KN*m/m3, se tuvo un Peso Volumtrico seco Mximo de
1.968 g/cm3
El 95% DM, representa:
0.95 1.968 /3 = 1.8696 /3
Por el procedimiento de aproximacin de los splines cbicos, en Matlab se pudo
obtener el valor para el CBR, correspondiente al 95% DM
como: CBR =86.83
-
Anlisis e interpretacin de resultados, conclusiones y recomendaciones.-
-Se pudo caracterizar mecnicamente el material para Base granular de la cantera de
Chiguata, respecto a su capacidad portante, mediante el ensayo normalizado de CBR,
obteniendo un valor de 86.83 para el 95% de la densidad mxima del Proctor
Modificado.
-Durante la ejecucin del ensayo, para el ensayo de expansin, se nota que el suelo
asume incluso un valor negativo, mostrando ningn riesgo de expansin, aadido al
hecho que no presenta plasticidad.
-Se sugiere permitir que la muestra permanezca sumergida por los cuatro das que se
recomienda para rescatar un comportamiento posterior al primer da para descartar
problemas de expansin.
-Como se puede observar la densidad de las muestras ensayadas no vara
significamente de despus de saturarse, respecto a la muestra antes de ser sumergida,
as se concluye que no hubo perdida del material, durante este procedimiento.
-De acuerdo a los requerimientos granulomtricos de la seccin 403.02 del Manual de
carreteras especificaciones tcnicas generales para construccin-EG 2013 , al
enmarcarse el material en el huso B, no se podra utilizar para construir carreteras en el
Per a ms de 3000 m.s.n.m.
-De acuerdo a la tabla 403-02, se puede concluir que el material base granular, si puede
ser utilizado para un diseo tal que no sobrepase el milln de ejes equivalentes.
-Como se esperaba, el material tiene una densidad ptima del orden de 2.0 g/cm3 y un
C.B.R. orden de 80%, por tratarse de una grava bien graduada con finos no plsticos.
-No se recomienda , estimar el ndice CBR para grados de compactacin menores al
95% del CBR, por tratarse de un ensayo rpido, el cual no ha sido preparado a las
humedades optimas, de su correspondiente energa de compactacin.
-
Bibliografia
- Ban Blzquez, Luis; Bevi Garca, Jos Francisco. Manual de carreteras.
Alicante: Ortiz e Hijos, Contratistas de Obras, S.A., 2000. Vol. 2.
- Manual de carreteras especificaciones tcnicas generales para construccin-
EG 2013 .Ministerio de transportes y comunicaciones del Per.
- Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniera Civil, Joseph E. Bowles.
Editorial Mcgraw-Hill Latinoamericana S.A.
-Manual de ensayo de Materiales, MTC E 115 - 2000 ,Compactacin de suelos
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-Manual de ensayo de Materiales, MTC E 132 2000 , CBR de suelos, Instituto
de la construccin y Gerencia.