determinación ensayo capacidad de soporte del suelo. cbr

DETERMINACIÓN ENSAYO CAPACIDAD DE SOPORTE
DEL SUELO. (CBR)
Profesor :
Sara Ojeda Herrera
DETERMINACIÓN ENSAYO CAPACIDAD DE SOPORTE DEL
SUELO- (CBR)
GENERALIDADES
La capacidad de soporte es una de las propiedades
más importantes de los suelos. Su comportamiento,
al estar sometido a tensiones es bastante más
complejo que el de otros materiales. Las
deformaciones que experimenta no sólo dependen
del “tipo de suelo” que se trate, sino también del
estado en que se encuentre éste en cuanto a su
contenido de humedad, grado de compacidad,
estructura interna, etc. por otra parte, el suelo
subyacente a una fundación puede presentar
heterogeneidades
de
importancia,
acusando
grandes variaciones de resistencia según la
dirección de aplicación de las tensiones
(anisotropía).
Finalmente, las deformaciones que experimente un
suelo deben necesariamente relacionarse con la
estructura solicitante, ya que ciertos órdenes de
magnitud pueden ser tolerables para algunas
construcciones y prohibitivos para otras.
Cuando un suelo es sometido a tensiones, sufre una
determinada deformación. Si alcanza el valor
límite de su resistencia, el suelo sufre una rotura
por corte o falla por corte. Desde el punto de vista
de la mecánica de suelos, interesa tanto tener un
adecuado factor de seguridad a la falla por corte
como que la estructura solicitante no sufra una
deformación tal que le produzca daños.
Si se aplican presiones sobre superficies de carga de
diferentes formas y dimensiones, en un determinado
suelo, se obtienen distintos gráficos de relación
tensión – deformación. Aquí interviene un nuevo factor
que es la forma y dimensión del área cargada, pues, la
resistencia de un suelo varía con respecto a la forma,
dimensiones, velocidad de aplicación de carga y de la
deformación del suelo.
A medida que aumentan los esfuerzos, si se llega al
momento en que el suelo se rompe o sigue
deformándose con un pequeño o ningún esfuerzo, se
dice que el suelo falla por corte. Por eso que todo los
métodos destinados a determinar la capacidad de
carga de un suelo, se basan en el esfuerzo cortante
directa o indirectamente.
La complejidad del problema lleva a la siguiente
definición de capacidad de soporte : capacidad de
soporte de un suelo es la carga por unidad de área,
para una superficie de forma y dimensiones
determinadas, que no produce más que un
asentamiento previsto.
Los ensayos usados para medir las propiedades
resistentes de los suelos pueden clasificarse en tres
grandes grupos.
ensayo de corte
ensayo de carga
ensayo de penetración
ensayo de corte:
Estos ensayos determinan las propiedades en un
punto de la masa del suelo y se ejecutan
normalmente en muestras inalteradas relativamente
pequeñas. A través de ellos se determinan
fundamentalmente la cohesión y el ángulo de fricción
interna. Estos valores se utilizan para calcular los
valores máximo de rotura. Los ensayos más usuales
son de corte directo, compresión no confinada y
triaxial, que se verán más adelante.
ensayo de carga:
Los ensayos de carga se efectúan generalmente en
terreno (in situ) y sobre la superficie del suelo. Sus
resultados abarcan una zona mayor que la anterior y
permiten obtener un valor de conjunto de resistencia
del suelo en la zona de influencia.
En obras viales, se usa una prueba de carga con una
placa circular rígida de diámetro que varían entre 150
mm a 760 mm. La relación entre la presión aplicada y la
deformación vertical recibe el nombre de Módulo de
reacción del suelo “K”, que se expresa en kg/cm3.
Como esta relación no queda representada por una
línea recta, se elige un valor de penetración de
referencia de 1,25 mm (0,05”) para calcular el valor
de K.
La deflexión para determinar el modulo de reacción
será determinada sobre la curva corregida del gráfico
carga-deformación.
Se deben aplicar tres correcciones a la información
registrada durante el ensaye, que se deben a: trazado
de la curva carga-deformación, flexión de las placas
de ensaye y suelo cohesivo parcialmente saturado. En
el acápite 18 se estudia este ensayo.
ensayos de penetración:
Este tipo de ensayos determinan, al igual que los
ensayos de corte, las propiedades en un punto de la
masa de suelo. Pueden ser efectuados tanto en
terreno (in situ) como en laboratorio. Los
resultados de los ensayos de penetración están, en
general, relacionados con experiencias sobre el
comportamiento de suelos semejantes. Tal es el
caso de los métodos empíricos usados en diseño de
espesores
de
pavimentos
de
caminos
y
aeropuertos. También puede usarse los datos de
penetración para establecer relaciones con la
cohesión y la fricción del suelo.
Un caso particular de ensayo de penetración,
ampliamente usado en obras viales, es el Ensayo
California,
denominado comúnmente como CBR
(California Bearing Ratio). Para este ensayo se
emplea una muestra de suelo de 150 mm de diámetro
y 116 mm de altura, compactada en un molde
cilíndrico de acero. Antes de realizar el ensaye
generalmente se satura para simular las condiciones
más desfavorables en cuanto a drenaje de un camino
y para determinar su posible expansión. Junto con la
saturación y durante la penetración, se somete la
muestra a una presión (sobrecarga) igual a la que
producirá el futuro pavimento.
En este ensayo se mide la carga necesaria para
hacer penetrar un pistón de 50±5 mm de diámetro
en una masa de suelo compactada en un molde
cilíndrico de acero,
a una velocidad de 1,27
mm/min, para producir deformaciones de hasta 12,7
mm (1/2”). Esta carga se relaciona con una carga
estándar y el resultado final se expresa en
porcentaje. La curva de comparación se llama curva
patrón y corresponde a un chancado normalizado al
cual se le asigna un valor CBR de 100%.
La expresión que define al CBR, es la siguiente:
CBR = (carga unitaria del ensayo / carga unitaria
patrón) · 100 ( %)
De la ecuación se puede ver que el número CBR, es
un porcentaje de la carga unitaria patrón. En la
práctica el símbolo de (%) se quita y la relación se
presenta simplemente por el número entero.
Se deben confeccionar como mínimo tres probetas
con distinta energía de compactación, de tal
manera que la densidad a la cual se desee
determinar el CBR, quede entre dos probetas.
Generalmente se utilizan probetas compactadas
con 56, 25 y 10 golpes. Si la densidad a la cual se
desea determinar el CBR es menor que la del molde
de 10 golpes, se debe confeccionar otra probeta
con menor energía (por ejemplo 5 golpes).
2 DETERMINACIÓN DE LA RAZON DE
SOPORTE CALIFORNIA (CBR)
Este método establece el procedimiento para
determinar un índice de resistencia de los suelos,
conocido como Razón de Soporte de California
(CBR; California Bearing Ratio) El ensaye se realiza
normalmente a suelos compactados en laboratorio,
con la humedad óptima y niveles de energía
variables.
Este método se utiliza para evaluar la capacidad de
soporte de suelos de subrasante, como también de
materiales empleados en la construcción de
terraplenes, subbases, bases y capas de rodadura
granulares.
o obstante que originalmente el método fue diseñado
para evaluar el soporte de suelos de tamaño máximo
¾” (20 mm), el ensaye es aplicable a todos aquellos
suelos que contengan una cantidad limitada de
material que pasa por el tamiz de 50 mm y es retenido
en el tamiz de 20 mm.
nota1: cuando el tamaño máximo absoluto del
material en estudio sea superior a 20 mm, el peso
retenido en este tamiz se reemplazará por uno
equivalente de material de la misma muestra que pasa
por 20 mm y es retenido en 5 mm.
2.1 OBJETIVO DEL ENSAYE
Determinar la capacidad de soporte de un
suelo en el laboratorio, preparando tres
probetas de suelo con la misma humedad y
con niveles de energía variables.
2.2 NORMA A UTILIZAR
El ensayo se basa en la norma NCh. 1852 Of.
81 (LNV 92 – 85)
APARATOS Y EQUIPOS
prensa de ensaye, conformada por un marco de carga
con capacidad mínima de 44,5 KN (10.000 lbf) y una
gata mecánica capaz de desplazar una base metálica
rígida a una velocidad uniforme y sin pulsaciones, de
1,27 mm/min, contra el pistón de penetración. Este
último debe estar equipado con un dispositivo indicador
de carga de una capacidad mínima de 26,7 KN (6.000
lbf), que permita registrar lecturas con una resolución
mínima de 50 N. El pistón debe llevar, además, sujeto a
él, un dial de penetración graduado en milésimas de
pulgadas (0,025 mm) (ver Figura Nº 1)
molde metálico cilíndrico (152,4 ± 0,7 mm de diámetro y
177,8 ± 0,5 mm de altura) deben tener un collar de
extensión metálico de 50,8 mm de altura y una placa
base metálica de 9,5 mm de espesor con perforaciones
de un diámetro menor o igual que 1,6 mm (ver Figura Nº
2)
•disco espaciador metálico cilíndrico de 150,8 ± 0.8 mm
de diámetro y altura de 61,4 ± 0,2 mm
•pisón, de acuerdo a lo especificado en el acápite 9.•aparato para medir la expansión (hinchamiento) (ver
Figuras Nºs 2 y 3) compuesto por:
una placa metálica de 149,2 ± 1,6 mm de diámetro, por
cada molde. La placa debe tener perforaciones de un
diámetro menor o igual que 1,6 mm, y debe estar provista
de un vástago ajustable de metal en el centro, con un
sistema de tornillo y contratuerca que permita regular y
fijar su altura.
•un trípode metálico por cada molde, cuyas patas puedan
apoyarse en el borde de éste, y que lleve montado en el
centro un calibre comparador con indicador de dial, con
resolución de lectura 0,025 mm. El vástago debe
desplazarse libremente y coincidir con el de la placa, de
forma tal que permita controlar la posición de ésta y
medir el hinchamiento.
· un dial para medir expansión, por cada molde, con
resolución de lectura 0,025mm
cargas, para cada molde se debe disponer de una carga
metálica anular y varias ranuradas de 2,27 ± 0,05 kg
cada una. La carga anular, de diámetro exterior de 149,2
± 1,6 mm, debe disponer de una perforación u
orificio en el centro de aproximadamente 54 mm
de diámetro.
pistón de penetración, metálico cilíndrico, de 49,6
± 0,1 mm de diámetro y una longitud no inferior a
101,6 mm
herramientas y accesorios; deposito de capacidad
suficiente para la inmersión de los moldes en agua,
horno, balanzas de 20 kg y 2 kg, tamices, pailas,
recipientes, probetas, poruñas, espátulas, reglas,
brochas, discos de papel filtro, cronometro, etc.
PREPARACIÓN DE LA MUESTRA
secar la muestra al horno a temperatura menor a
60ºC (disgregar terrones en caso necesario)
preparar tres pailas con 7000 g de suelo seco de
acuerdo al método B o D del Proctor Modificado
nota2: previo al ensaye de CBR debe determinar
el contenido óptimo de humedad y la densidad
máxima compactada seca (DMCS) del material de
acuerdo con el método indicado en el acápite 9,
según corresponda.
Nota3: el procedimiento usado en esta guía está
pensado para el control de las distintas capas que
compone un camino, y por lo tanto, cada capa debe
prepararse de acuerdo a un método de
compactación, en este caso particular se ha
escogido el Proctor Modificado y por ende la
humedad de confección es la humedad óptima.
Para estudios de proyectos, los CBR deben
realizarse con la humedad propia de terreno y con
energías variables
PROCEDIMIENTO DE ENSAYE
agregar agua según contenido de humedad óptima a
cada una de las tres pailas de suelo en función de la
masa y mezclar homogéneamente
colocar la mezcla en un depósito tapado por un
periodo de media hora o más, según el tipo de
suelo, para obtener una distribución uniforme de
humedad
para cada molde realice los pasos siguientes:
•colocar el disco espaciador sobre la placa base y fijar
el molde
•colocar un disco de papel filtro sobre el espaciador
•compactar cada una de las cinco capas de suelo
húmedo en el molde, escarificando cada capa antes de
realizar la siguiente
•a cada molde se le aplican diferentes energías
(golpes), por ejemplo 56, 25 y 10 golpes, de tal manera
que la densidad en la cual se desee determinar la
razón de soporte quede en un rango de 90% a 100% de
la densidad máxima obtenida por el ensaye de Proctor
Modificado
•colocada la última capa se procede a sacar el collarín
y enrasar cuidadosamente la muestra de cada molde
•
•rellenar con material bajo malla 5 mm (tamiz Nº 4)
cualquier hueco que pueda haber quedado en la
superficie
•obtener la humedad del material al inicio y final
del proceso de compactación. Cada muestra para
contenido de humedad debe pesar como mínimo 100
g para suelos finos y 500 g para suelos granulares
sacar la placa base perforada y el disco espaciador
y pesar el molde con el suelo compactado
determine la densidad de la muestra antes de
inmersión (ρ) dividiendo la masa de suelo
compactado (m) por la capacidad volumétrica del
molde (v);(no olvidar restar el volumen del disco
espaciador)
ρ = m/v ; registre, aproximando el resultado a 0,01 g
/cm3
colocar un disco de papel filtro sobre la superficie
enrasada, invierta el molde y fíjelo a la placa base
perforada, con el suelo compactado en contacto con el
papel filtro
Nota 4: cuando hay riesgo de disgregación del suelo
compactado en el molde, éste debe pesarse junto con
la placa base colocar el vástago ajustable con placa
perforada sobre la probeta de suelo compactado y
aplique las cargas hasta una sobrecarga igual a la
ejercida por la estructura del pavimento sobre el
material en estudio, redondeando a múltiplos de 2,27
kg (5lb). En ningún caso debe ser menor que 4,54 kg
(10lb).
si la muestra va a ser sometida a inmersión, coloque
los moldes con sus respectivas cargas en el recipiente
sin agua y acomode el aparato de expansión a cada
uno de los moldes, tomando lecturas iniciales de
expansión o hinchamiento. Luego agregue el agua
lentamente para no producir movimientos que
desajusten el trípode de expansión, permitiendo el
libre acceso de ésta a las probetas, las que debe
dejar sumergidas
dejar saturando el material por el periodo
correspondiente al tipo de suelo, con su respectivo
dial para medir el hinchamiento o expansión en cada
molde (generalmente por 96 horas, pero si se trata
de suelos de grano fino o suelos
granulares que absorben humedad fácilmente se
permite un periodo de inmersión más corto, no menor
a 24 horas)
al término del periodo de inmersión, tome las lecturas
finales de expansión a cada una de las probetas y
calcule el porcentaje de expansión refiriendo dichas
lecturas a la altura inicial de éstas.
e = ∆h / hi · 100 (%) ;
∆h = ( hf - hi )
donde:
e : % expansión
∆h : expansión o hinchamiento de la probeta
(mm)
hi : altura inicial de la probeta (mm) (hi = 116,4
mm )
nota5: se comprueba que no hay más hinchamiento,
cuando dos lecturas de dial efectuadas con 24
horas de intervalo difieren en menos de 0,03 mm.
Durante todo el tiempo de inmersión el nivel de
agua se debe mantener constante.
saque el agua libre dejando drenar la probeta a
través de las perforaciones de la placa base
durante 15 min. Cuide de no alterar la superficie de
la probeta mientras se extrae el agua, puede ser
necesario inclinar la probeta para eliminar el agua
superficial.
•retire las cargas y la placa base perforada. Pese el
molde con el suelo. Determine la masa de suelo
compactado después de la inmersión (mi), restando la
masa del molde. Registre aproximando a 1g
•determine la densidad de la muestra después de la
inmersión (ρi) dividiendo la masa de suelo compactado
(mi) por la capacidad volumétrica del molde (v); no
olvidar restar el volumen del disco espaciador.
ρi = mi / v ;
registre, aproximando a 0,01g/cm3
PENETRACIÓN
Antes de producir la penetración se debe deja
drenando la probeta por un periodo mínimo de 15
minutos
colocar sobre la probeta las cargas necesarias para
producir una sobre carga igual a la ejercida por el
pavimento, redondeando a múltiplos de 2,27 kg (5
lb) [en ningún caso debe ser menor que 4,54 kg, (10
lb), equivalente al peso de un pavimento de hormigón
de 5 pulgadas de espesor]
si la probeta ha sido previamente sumergida, la
sobrecarga debe ser aplicada durante el periodo de
inmersión
apoyar el pistón de penetración con la carga más
pequeña posible, la cual no debe exceder de 45 N
colocar los diales de tensión y deformación en cero
aplicar la carga en el pistón de penetración de manera
que la velocidad sea de 1,27 mm/min.
Anotar las lecturas de carga en los siguientes niveles
de penetración: 0,64 – 1,27 – 1,91 – 2,54 – 3,18 – 3,81
– 4,45 – 5,08 – 7,62 – 10,16 – 12,7 mm .
nota: para equipos con diales en pulgadas estos
intervalos corresponden aproximadamente a:
Anotar las lecturas de carga en los siguientes niveles
de penetración: 0,025 – 0,050 – 0,075 – 0,1 – 0,125 –
0,150– 0,175 – 0,2 – 0,225 – 0,250 – 0,275 – 0,3
pulgadas
el ensaye debe realizarse hasta alcanzar una
penetración mínima de 0,72 mm (0,300”)
sacar el suelo del molde y determinar la humedad
después de la penetración
EXPRESIÓN DE RESULTADOS
grado de saturación
con la humedad obtenida después de la
penetración, determinar el grado de saturación de
cada probeta de acuerdo a la siguiente expresión:
S = (ω/e) · (ρs/ρw)
donde:
S : grado de saturación de la probeta
ω : humedad de la muestra después de la
penetración
e : índice de huecos
ρs : densidad de las partículas sólidas de la
muestra
ρw : densidad del agua
curva de tensión – penetración
calcule las tensiones de penetración en Mpa,
aproximando a un decimal, para lo cual divida las
cargas aplicadas (kgf) por el área de la sección
transversal del pistón (cm2); luego divida el resultado
obtenido por el factor de conversión 10,2
trace la curva de cada molde en un mismo gráfico
de tensión – penetración. En algunos casos esta
curva puede tomar, inicialmente, la forma cóncava
hacia arriba debido a irregularidades de la
superficie u otras causas.
-En dichos casos el punto cero debe corregirse
trazando una recta tangente a la mayor pendiente
de la curva y trasladando el origen al punto en que
esta tangente corta a la abscisa. El valor buscado
estará desplazado a la derecha en la misma
distancia que hay desde el origen hasta la
intersección de la curva corregida con la abscisa
(ver Figura Nº 4)
razón de soporte
Empleando los valores de tensión corregidos tomados
de la curva tensión – penetración para 2,54 mm y
5,08 mm de penetración, calcule las razones de
soporte para cada una de ellas, dividiendo las
tensiones corregidas por las tensiones normales de
6,9 MPa y 10,3 MPa respectivamente. Cuando en el
ensayo no se logre una penetración de 5,08 mm, debe
extrapolar la curva hasta dicho valor para calcular la
razón de soporte para los suelos del tipo A-1, A-2-4
y A-2-6. la razón de soporte se calcula solo para 5,08
mm de penetración
para los suelos del tipo A-4, A-5, A-6 y A-7, cuando la
razón de soporte correspondiente a 5,08 mm resulte
mayor que la correspondiente a 2,54 mm, repita el
ensaye.
Si el ensaye de chequeo entrega un resultado similar,
emplee la razón de soporte correspondiente a 5,08 mm
de penetración para los suelos del tipo A-3, A-2-5, A2-7, informe el mayor porcentaje de CBR obtenido
entre los correspondientes a 2,54 y 5,08 mm.
razón de soporte – densidad seca
Usando los datos obtenidos para las distintas
probetas, dibuje una curva “razón de soporte –
densidad seca de compactación”.
Se puede determinar así la razón de soporte
correspondiente a una densidad seca preestablecida.
(ver Figura Nº 5)
INFORME
El informe deberá incluir la siguiente información:
referencia al procedimiento empleado para preparar
y compactar las probetas
acondicionamiento de la muestra (con o sin inmersión)
densidad seca de la muestra antes de la inmersión (g
/cm3)
densidad seca de la muestra después de la inmersión
(g /cm3)
humedad de la muestra:
· antes de la compactación (%)
· después de la compactación (%)
· después de la inmersión (%)
expansión (referida a la altura inicial del molde)
(%) razón de soporte de la muestra (%) cualquier
información especifica relativa al procedimiento
de ensaye o al material la referencia a este
método
CBR