LABORATORIO CBR DE SUELOS COMPACTADOS EN LABORATORIO (MUESTRA INALTERADA) 1. COMPACTACIÓN DE LAS MUESTRAS (INV E-141, 142) Para realizar el ensayo de CBR, las muestras deben someterse previamente al ensayo de compactación, donde proporciona información relevante como el volumen del molde, entre otros datos mostrados a continuación. Ensayo de compactacion Densidad Volumen del molde cm3 Peso molde + suelo compactado Peso del molde Peso del suelo compactado g g g 944 1 3840,6 1859,3 1981,3 2 4007,1 1859,3 2147,8 3 4058,2 1859,3 2198,9 4 4041,5 1859,3 2182,2 g g g 4 108,6 102,7 31,3 6 100,3 92,4 31,5 2 110,1 99,5 31,5 19 113 100,1 29,6 Contenido de humedad Peso del frasco + suelo humedo Peso del frasco + suelo seco Peso del frasco Tabla 1: Datos del ensayo de compactación. 2. CONDICIÓN DE ENSAYO DE LAS PROBETAS (CON INMERSIÓN) Al realizar el ensayo de CBR sometiendo las probetas a pruebas de carga e inmersión, se obtienen los siguientes datos con los cuales se inicia el desarrollo de los cálculos CBR Densidad Molde No. De capas No. De golpes por capa Peso molde + suelo compactado Peso del molde Peso del suelo compactado Volumen del suelo g g g cm3 Contenido de humedad Capsula Peso de la capsula + suelo humedo Peso de la capsula + suelo seco Peso de la capsula g g g 6 5 56 9442,8 4617,6 4825,2 8 5 25 10095,5 4764,1 5331,3 2 5 12 9368,4 4768,6 4599,8 2378,7 2378,7 2378,7 16 92,93 83,56 24,92 20 82,15 62,33 24,19 13 95,12 63,66 23,64 Tabla 2: Datos del ensayo de CBR 3. HUMEDAD Y PESO UNITARIO SECO DE LOS CUALES QUEDARON COMPACTADOS LOS ESPECIMENES En las normas de ensayo de materiales para carreteras del INVIAS publicado en el año 2013, se cuenta con una serie de pasos que se deben seguir para calcular correctamente todos los datos del ensayo CBR que se hace con el objetivo de evaluar la resistencia de materiales que contengan tamaños máximos según su granulometría. Entre estos pasos está el determinar la densidad seca del espécimen antes de la inmersión y su masa seca del suelo al ser compactado en el molde, por medio de las siguientes ecuaciones. 𝜌𝑑 = 𝑀𝑠𝑎𝑐 𝑉𝑚 𝑀𝑠𝑎𝑐 = 𝑀𝑚𝑤𝑠 − 𝑀𝑚 (1 + 𝑤𝑎𝑐 ) (1) (2) Para calcular estas variables, se hizo el siguiente despeje con la información inicial, ya que la demás información ya se tenía desde el inicio, como el Mm que es la masa del molde. 𝑀𝑚𝑤𝑠 = (𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑠𝑢𝑙𝑎 + 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑜) − (𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑠𝑢𝑙𝑎) (3) Y por último, el contenido de humedad se determinó de la siguiente ecuación. 𝑊𝑎𝑐 % 𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 = ( ) ∗ 100 𝑊𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 (4) Los resultados de la densidad seca y el contenido humedad, se representan en la parte final de los cálculos, donde fueron necesarios para hacer sus respectivas graficas de relación. 4. CURVAS PENETRACIÓN VS ESFUERZO Para determinar el esfuerzo, considerando que se proporcionan los datos de la carga que se le aplico a cada uno de los especímenes y su penetración en mm, fue necesario despejar la siguiente ecuación 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 (𝑘𝑔) 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛 (𝑐𝑚2 ) (5) Donde, para el área del pistón se toma un valor por defecto que proporciona el INVIAS el cual es de 1935 mm2 el cual se debe convertir a cm2, y la carga que se tiene inicialmente el libras se pasa a kg simplemente dividendo este valor por 2.205. Antes de hacer las curvas de penetración vs esfuerzo para cada muestra, se debe verificar que las tres cumplan con la especificación del INVIAS que no pueden ser cóncavas en su parte inicial, ya que según dicha norma, esto sucede debido a irregularidades en la superficie del espécimen, y si esto sucede debe hacérsele su respectiva corrección, tarazándole una tangente a la curva en el punto de inflexión donde esta prolongación definirá el nuevo origen de esa curva. En este caso, fue necesario realizarle una corrección al molde número 3 y número 5, que presentaron dicho comportamiento al inicio de su curva, como se puede apreciar a continuación. Penetracion mm 0 0,64 1,27 1,91 2,54 3,18 3,81 4,45 5,08 7,62 10,16 12,7 Molde N° 3 Carga Esfuerzo lbs kg kg/cm2 0 0 0 107,4 48,7 2,52 142,5 64,6 3,34 208,3 94,5 4,88 361,8 164,1 8,48 555,9 252,1 13,03 877,3 397,9 20,56 1337,9 606,7 31,36 1809,5 820,6 42,41 3225,5 1462,8 75,60 3202,2 1452,3 75,05 3564,1 1616,4 83,53 Tabla 3: Datos iniciales de penetración y carga para el molde 3 Grafica 1: Corrección de la curva (Esfuerzo vs Penetración) para el molde 3 Penetracion mm 0 0,64 1,27 1,91 2,54 3,18 3,81 4,45 5,08 7,62 10,16 12,7 Molde N° 5 Carga Esfuerzo lbs kg kg/cm2 0 0 0 98,6 44,7 2,31 131,5 59,7 3,08 230,2 104,4 5,40 318,0 144,2 7,45 745,7 338,2 17,48 1019,9 462,5 23,90 1184,1 537,0 27,75 1370,8 621,7 32,13 1875,3 850,5 43,95 2127,5 964,8 49,86 2281,0 1034,5 53,46 Tabla 4: Datos iniciales de penetración y carga para el molde 5 Grafica 2: Corrección de la curva (Esfuerzo vs Penetración) para el molde 5 Ya teniendo las correcciones, y contando con nuevos orígenes de penetración y carga para los moldes 3 y 5, se procede a graficar las tres curvas para así determinar su CBR Molde N° 3 Carga Penetracion mm 0 0,64 1,27 1,91 2,54 3,18 3,81 4,45 5,08 7,62 10,16 12,7 Molde N° 5 Carga Esfuerzo 2 Esfuerzo 2 lbs kg kg/cm lbs kg kg/cm 0 555,91 877,28 1337,88 1809,46 3225,5 3202,24 3564,14 0 252,1 397,9 606,7 820,6 1462,8 1452,3 1616,4 0 13,03 20,56 31,36 42,41 75,60 75,05 83,53 0,0 745,7 1019,9 1184,1 1370,8 1875,3 2127,5 2281,0 0,0 338,2 462,5 537,0 621,7 850,5 964,8 1034,5 0,00 17,48 23,90 27,75 32,13 43,95 49,86 53,46 Molde N° 1 Carga Esfuerzo lbs 0 131,5 164,4 208,3 263,1 339,9 416,7 482,5 548,3 756,6 921,1 1030,8 kg 0 59,7 74,6 94,5 119,3 154,1 189,0 218,8 248,6 343,1 417,8 467,5 Tabla 5: Datos de Esfuerzo y penetración para cada uno de los moldes Grafica 3: Curvas de penetración vs esfuerzo para cada uno de los moldes 5. CBR DE CADA ESPECIMEN Para determinar el CBR de un solo contenido de humedad, fue necesario primero determinar el esfuerzo que se tuvo para cada uno de los moldes en una penetración de 2.54 mm y 5.08 mm (valores recomendados por el INVIAS), y esto fue posible gracias a la gráfica de penetración vs esfuerzo mostrada anteriormente. Ya con el esfuerzo en unidades de lb/pulg2, se divide por unos esfuerzos de referencia de 100 lb/pulg2 para 2.54 mm y de 1500 lb/pulg2 y multiplicando esto por 100, obteniendo así la relación de soporte de cada uno. 2 kg/cm 0 3,08 3,85 4,88 6,17 7,97 9,77 11,31 12,85 17,73 21,59 24,16 Penetracion Molde N° 3 Esfuerzo kg/cm2 41,9 75,2 mm 2,54 5,08 Esfuerzos de ref 2 lb/pulg 595,79 1069,30 lb/pulg 1000 1500 2 Relacion de soporte 59,58 71,29 Tabla 6: Resultados de CBR para el molde N°3 Penetracion Molde N° 5 Esfuerzo kg/cm2 31,8 43,7 mm 2,54 5,08 Esfuerzos de ref 2 lb/pulg 452,18 621,39 lb/pulg 1000 1500 2 Relacion de soporte 45,22 41,43 Tabla 7: Resultados de CBR para el molde N°5 Penetracion Molde N° 1 Esfuerzo Esfuerzos de ref Relacion de soporte mm 2,54 kg/cm 6,3 lb/pulg2 89,58 lb/pulg2 1000 8,96 5,08 13 184,85 1500 12,32 2 Tabla 8: Resultados de CBR para el molde N°1 6. CURVA CBR (PESO UNITARIO SECO Y HUMEDAD) Para definir el valor de CBR final para el molde, se recomienda elegir la relación obtenida en la penetración de 2.54 mm, sin embargo, cuando se presenta que el CBR es mayor para la penetración de 5.08 mm se debe elegir este valor (ya que debe ser el mayor). Y los pasos para determinar la densidad seca se explicaron en el paso 3 de este ensayo, teniendo los siguientes resultados con los que se gráfica la densidad seca vs el CBR. Molde N° 3 Molde N° 5 Molde N° 1 CBR de diseño para un solo contenido de humedad CBR Penetracion Densidad seca Numero de % mm g/cm3 golpes 71,29 5,08 0,062 56 45,22 2,54 0,040 25 12,32 5,08 0,042 12 Tabla 9: Relación de los resultados de CBR para cada muestra con su densidad seca Grafica 4: Curva de densidad seca vs CBR de los tres moldes Por último, se presentan los siguientes resultados de humedad y densidad seca para cada uno de los moldes, y así poderlos representar gráficamente para concluir como fue el comportamiento del contenido de agua en cada uno de los especímenes. Molde N° 3 Molde N° 5 Molde N° 1 Densidad seca g/cm3 0,062 0,040 0,042 Humedad % 15,98 51,97 78,61 Tabla 10: Resultados de la densidad seca y la humedad para cada muestra Grafica 5: Relación humedad vs densidad para los tres moldes 7. VALORES DE EXPANSIÓN DE LOS ESPECIMENES La expansión de cada espécimen es un valor que se recomienda determinar durante el ensayo de CBR según el INVIAS, sin embargo, para determinarlo se requiere de unas lecturas por el deformimetro del aparato medidor de expansión tanto antes como después de someterlo a la inmersión. Y dichos datos, no se contaban al empezar los cálculos, por ende, no se determina para este caso.
