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Determinacin de la capacidad soporte CBR e hinchamiento de suelos

Norma de ensayo VN-E6-84

La finalidad de este ensayo es determinar en laboratorio la capacidad de soporte de un determinado suelo compactado con una mxima densidad seca y una humedad ptima. Este ensayo nos da una idea para evaluar la calidad de un suelo para ser usado como base o sub-base de pavimentos.

En realidad lo que se mide en el ensayo es la resistencia al corte del suelo bajo una humedad y densidad controlada, lo que permite obtener un porcentaje de la relacin de soporte del suelo en cuestin.

La norma de Vialidad Nacional define al valor soporte CBR como la fuerza requerida para que un pistn normalizado penetre a una profundidad determinada expresada en porcentaje de fuerza para que el pistn penetre a la misma velocidad y a esa misma profundidad , en una probeta normalizada de una muestra patrn .

Por lo tanto para calcular el valor soporte de un suelo dado se debe dividir la carga unitaria de ensayo por la carga patrn y multiplicarla por 100 y se obtiene el CBR.

El valor soporte que se obtiene al realizar el ensayo es un nmero que corresponde a la penetracin del pistn de 2.5 mm o una dcima de pulgada. Si el valor de la penetracin a 5.1 mm es mayor que el anterior se deber repetir el ensayo.

Si al repetir el ensayo el valor de la penetracin a 5.1 mm sigue dando mayor se tomara este valor como valido y ser el que se informara.

Para poder realizar el ensayo de valor soporte cualquiera sea el mtodo que se use se deber tener como primera medida el valor de la densidad mxima seca y de la humedad ptima que lo da la norma de Vialidad Nacional VN-E5-67 Compactacin de suelos.

Los ensayos se deben realizar en las condiciones ms desfavorables en que pueda estar el suelo, por esto se saturan las probetas durante 96 horas y adems se debe verificar el hinchamiento.

El hinchamiento es el aumento porcentual de altura referido a la altura inicial, que experimenta una probeta de suelo cuando la humedad de la misma aumenta, por inmersin, desde la humedad inicial de compactacin hasta la alcanzada por la probeta al trmino del perodo de inmersin.

Elementos necesarios para ejecutar el ensayo:

- Prensa de ensayo de capacidad mnima de 5000 kg y cabezal o base movible a una velocidad de 1,25 mm/min para presionar el pistn de penetracin en la probeta. Provista de aros dinamomtricos de 100, 3000, 5000 kg con diales extensomtricos con una precisin de 0.01mm.

- 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 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, bandejas de mezcla, papel filtro, platos y tamices.

Los mtodos de ensayos son:

1. Mtodo esttico a carga preestablecida

2. Mtodo esttico a densidad prefijada

3. Mtodo dinmico N 1 ( simplificado)

4. Mtodo dinmico N 2 ( completo)

Mtodo esttico a carga preestablecida

Preparacin de la muestra.

Se prepara una muestra de tamao igual o superior a 50 kgs. Esta muestra deber secarse al aire o en un horno, a una temperatura menor de 60 C, hasta que se vuelva desmenuzable. Adems, se debern disgregar los terrones evitando reducir el tamao natural de las partculas. En caso de que el material contenga partculas mayores a 19 mm se debern secar 100 kgs de muestra.

La muestra se pasa por el tamiz de 19 mm. (3/4") descartando el material retenido. Si es necesario mantener el porcentaje de material grueso del material original se deber efectuar un reemplazo. Para esto se determina por tamizado el porcentaje del material que pasa por el tamiz de 50 mm. (2") y queda retenido en el tamiz de 19 mm.

Se reemplaza dicho material por una masa igual de material que pasa por el tamiz de 19 mm. y queda retenido en el tamiz de 4.75 mm. (N 4) tomada de la porcin no utilizada de suelo original.

Una vez obtenida la muestra, se selecciona una porcin representativa de aproximadamente 35 kg. para realizar el ensayo de compactacin Proctor. El resto de la muestra, se divide en tres porciones de 7 kg., aproximadamente, cada una.

Moldeo de las probetas:

Cada probeta se preparar con una cantidad de suelo seco tal que al ser compactada tenga una altura de 12 cm.

Como el clculo se hace para un suelo seco y en realidad se debe compactar el suelo con contenidos creciente de humedad, cantidad de suelo hmedo a pesar ser de:

Ph = Ps * ( 1 + H% / 100)

Se debern moldear 5 probetas de tal modo que se pueda trazar la curva humedad densidad similar al ensayo Proctor

La cantidad de agua a agregar para llevarlo a la humedad ser:

agua total = Ps * H% / 100

Si el suelo ya tiene humedad incorporada pero no es la requerida para llevarlo a la humedad de clculo la cantidad de agua a agregar es:

Agua parcial = Ps *(H% - Humedad del suelo) / 100

Se prepara el molde y se coloca el suelo humedecido en capas compactndolo ligeramente con la ayuda de una varilla de hierro. Se lleva el conjunto a la prensa de compactacin y se lo carga hasta una carga de 140 kg/cm2 (25400 kg aprox). Se mantiene esta carga durante un minuto y luego se descarga lentamente.

- 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., este peso es el equivalente al peso de un pavimento de hormign de 12.5 cm de espesor.

A continuacin se coloca todo el conjunto cuidadosamente dentro del estanque sin agua, sobre una capa de arena para que el agua tenga libre acceso 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. 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 4,5 kg) 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.

Clculos y grficos.

- Calculo de la densidad inicial de la muestra (gi) antes de ser sumergida, mediante la siguiente expresin:

gi = ( W1 - Mm ) / Vm ( gr./cm3 )

donde:

W1 = peso del molde ms el suelo compactado (gr.)

Mm = peso del molde (gr.)

Vm = capacidad volumtrica del molde (cm3)

- Calcular la densidad saturada de la muestra (gs) luego de ser sumergida, mediante la siguiente expresin:

gs = ( W2 - Mm ) / Vm ( gr./cm3 )

donde:

W2= peso del molde y el suelo compactado y saturado (grs.)

- Calculo de la expansin de la muestra, como porcentaje de la altura inicial (%E), mediante la siguiente expresin:

% E = E / 116,4 * 100 ( % )

donde:

E = expansin en mm. (diferencia de lecturas del dial de deformacin (Lf - Li))

116,4 = altura de la probeta en mm. (altura del molde menos altura del disco espaciador) - Obtencin de la curva tensin contra deformacin, graficando en la ordenada, las tensiones de penetracin en megapascales (MPa) y en la abscisa la penetracin en milmetros. En algunos casos la curva puede tomar inicialmente una forma cncava hacia arriba, debido principalmente a irregularidades en la superficie de la probeta. Si esto ocurriera, el punto cero debe corregirse trazando una recta tangente a la mayor pendiente de la curva y se traslada el origen al punto en que la tangente corta la abscisa (figura 3.18.).

- Usando los valores de tensin (corregidos o no) tomados de las curvas tensin contra penetracin, se calcula el CBR (%) para 2,5 mm. y 5 mm. de penetracin dividiendo las tensiones normales por 6,9 MPa. y 10,3 MPa. respectivamente, multiplicndolas por 100. Se calcula tambin el CBR para la carga mxima si la penetracin es menos que 5 mm. interpolando la tensin normal.

- Usando los datos obtenidos anteriormente de las tres probetas, se dibuja la curva CBR contra densidad seca (si se trata de suelos granulares, se graficar la curva solo con la penetracin de 5 mm.; en cambio para suelos arcillosos, se graficarn la de 2,5 y 5 mm. de penetracin). Con ella se puede determinar el CBR correspondiente a una densidad seca preestablecida (figura 3.19.).

Mtodo esttico a densidad prefijada:

El material utilizado para este ensayo debe pasar por el tamiz de 19 mm. Si en la muestra hay material retenido por dicho tamiz se reemplazas por igual cantidad de material que pasa por el mismo y sea retenido por el tamiz de 4.75 mm hasta un mximo de 15 % La cantidad de material a secar ser igual a la del mtodo dinmico simplificado.

Las probetas una vez compactadas debern tener una altura de 12 cm y para calcular el material que se debe pesar se procede de la siguiente manera:

El molde mide 15.24 cm de dimetro y la altura de la probeta compactada tiene que ser de 12 cm entonces el volumen de la probeta ser de: 2189 cm 3

Por lo tanto el peso de suelo seco ser:

Ps = 2189 * ds siendo ds la densidad seca

Como el clculo se hace para un suelo seco y en realidad se debe compactar el suelo a la humedad ptima la cantidad de suelo hmedo a pesar ser de:

Ph = Ps * ( 1 + H%/100)

Si el suelo esta totalmente seco la cantidad de agua a agregar para llevarlo a la humedad optimas ser:

agua total = Ps * H% / 100

si el suelo ya tiene humedad incorporada pero no es la ptima para llevarlo a la humedad ptima la cantidad de agua a agregar es:

Agua parcial = Ps *(H% - Humedad del suelo)/100

Procedimiento

Una vez que el suelo tiene la humedad ptima se procede a armar el molde ajustndolo con la base sin perforaciones y se vuelca el suelo compactndolo en capas con una varilla. Luego que el suelo esta dentro del molde se coloca el pistn de compactacin y se lleva el conjunto a la prensa y se carga hasta que el pistn de compactacin haya penetrado en el molde de manera tal que la probeta quede de 12 cm de altura.

Mtodo dinmico N 1 simplificado

Compactacin de probetas: CBR.

Normalmente se compactan de tres a cinco probetas en un rango de 90 a 100% de la densidad seca mxima determinada segn el ensayo Proctor. Cada porcin de suelo, se debe mezclar con una cierta cantidad de agua para obtener la humedad ptima, si es necesario homogeneizar la humedad del suelo, debe colocarse dentro de un recipiente tapado o en una bolsa de polietileno durante un tiempo para lograr una distribucin 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. El pisn que se usa para realizar este ensayo es de 4.5 kg y tiene una altura de cada de 45.7 cm. Se compactar la primera muestra en cinco capas de 56 golpes. La segunda muestra se compacta con igual nmero de capas pero con 25 golpes por capa y la tercera tambin en cinco capas y 12 golpes por capa. Se preparan 2 probetas por cada condicin.

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 penetracin.

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).

Metodo dinmico N 2 (completo)

La preparacin de la muestra se realiza de la misma manera que en el mtodo simplificado pero con las variantes siguientes:

Para suelos que no contengan partculas superiores a 19 mm se debern secar 110 kg de muestra.

Si se tienen suelos con partculas mayores de 19 mm se sacar una muestra de 220 kg.

En ambos casos la muestra se deber dividir en 18 partes iguales y cada una de estas muestras se debern humedecer con diferentes porcentajes de agua para poder obtener la curva de compactacin.

Las probetas se compactarn en cinco capas de 56 golpes cada una para la primera curva, con 25 golpes por capa para la segunda curva y 12 golpes por capa para la tercer curva. Se compactan de la misma manera que en el mtodo simplificado

El hinchamiento se calcula de la misma manera que en el mtodo simplificado lo mismo que la penetracin.

Observaciones.

- 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 precipitaciones anuales son inferiores a 50 mm. 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 la tabla siguiente se indican rangos de valores de CBR, con una clasificacin y posibles uso como material de construccin. figura 3.18

PRIVATECBRClasificacin cualitativa del sueloUso

2 - 5Muy malaSub-rasante

5 - 8MalaSub-rasante

8 - 20Regular - BuenaSub-rasante

20 - 30ExcelenteSub-rasante

30 - 60BuenaSub-base

60 - 80BuenaBase

80 - 100ExcelenteBase

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 o

- 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".

Figura 3.19

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