Introducción.

El ensayo de CBR (California Bearing Ratio) es un ensayo que se utiliza para evaluar condiciones del suelo para futuras proyecciones en el terreno, ya sea para proyectos viales, edificaciones, entre otras.

Para este ensayo, el suelo debe estar compactado, para que los datos arrojados al momento de realizar el ensayo, sea representativo del suelo para fines de construcción y demás.

El CBR es un ensayo que nos permite conocer la resistencia al corte que tiene determinado suelo, mencionado anteriormente para fines de obras civiles.

Marco teórico.

El objetivo del CBR es obtener información de las condiciones reales en la que se encuentra el terreno de cimentación de un pavimento y establecer en forma estadística; los resultados que se obtendrá en laboratorio por medio de un equipo dinámico.

Para ensayar el CBR tenemos dos métodos sin contar los del laboratorio, que son el método del cono y el método de la placa, detallados a continuación.

CBR de laboratorio.

Este método de prueba se emplea para evaluar la resistencia potencial de materiales de subrasante, subbase y base, incluyendo materiales reciclados para empleo en pavimentos de carreteras y pistas de aterrizaje. El valor de CBR obtenido en esta prueba forma parte integral de varios métodos de diseño de pavimentos flexibles.

Para aplicaciones en las cuales el efecto del contenido de agua de compactación sobre el CBR es bajo, tales como materiales de grano grueso sin cohesión, o cuando se permita una tolerancia en relación con el efecto de diferentes contenidos de agua de compactación en el procedimiento del diseño, el CBR se puede determinar al contenido óptimo de agua de un esfuerzo de compactación especificado. La masa unitaria seca especificada corresponde, generalmente, al porcentaje mínimo de compactación permitido al usar las especificaciones para compactación en el campo.

Para aplicaciones en las cuales el efecto del contenido de agua de compactación sobre el CBR se desconoce, o en las cuales se desea tener en cuenta su efecto, el CBR se determina para un rango de

contenidos de agua, usualmente el permitido para compactación en el campo empleando las especificaciones existentes para tal fin.

Procedimiento.

se deben compactar tres especímenes de manera que los límites de sus densidades compactadas sean de 95% (o menos) a 100% (o mayor) de la máxima densidad seca.

Se ajusta el molde a la placa de base, se une el collar de extensión y se pesa con aproximación a 5 g (0.01 lb). A continuación se insertar el disco espaciador dentro del molde y se coloca un papel filtro grueso encima del disco.

Se mezcla cada una de las tres porciones de 6.8 Kg. (15 lb) con suficiente agua para obtener el contenido de humedad óptimo determinado.

Se compacta la primera de las tres porciones de la mezcla de suelo -agua en el molde, usando tres capas iguales y el martillo apropiado si la densidad máxima fue determinada por la norma INV E – 141 o cinco capas iguales si la densidad máxima fue determinada por la norma INV E – 142 para obtener una profundidad total compactada de más o menos 125 mm, compactando cada capa con el menor número de golpes seleccionados para obtener una densidad compactada del 95%, o menos, de la densidad máxima.

Se determina el contenido de humedad del material que está siendo compactado, al comienzo y a la terminación de este procedimiento (dos muestras). Cada muestra de humedad deberá tener una masa de, por lo menos, 100 g para suelos de grano fino, y 500 g para suelos de grano grueso. La determinación del contenido de humedad se debe hacer de acuerdo con la norma INV E – 122.

Terminada la compactación, se quita el collar y se enrasa el espécimen por medio de un enrasador o cuchillo de hoja resistente y bien recta. Cualquier hueco superficial producido al eliminar partículas gruesas durante el enrase, se rellenará con material sobrante sin gruesos, comprimiéndolo con la espátula.Se desmonta el molde y se vuelve a montar invertido, sin disco espaciador, colocando un papel de filtro entre el molde y la base. Se determina la masa del molde con el espécimen compactado, con aproximación a 5 g (0.01 lb).

Relación de soporte para un rango de contenidos de humedad – Los especímenes se deben preparar de acuerdo con la Sección 4.2. Toda la compactación se debe efectuar en los moldes de CBR. Cada espécimen usado para desarrollar las curvas de compactación para 10, 25 y 56 golpes por capa, será penetrado. En casos en los cuales la masa unitaria seca especificada está en o cerca del 100% de la máxima, será necesario incluir un esfuerzo de compactación mayor de 56 golpes por capa.

Inmersión – Se coloca sobre la superficie de la muestra invertida la placa perforada con vástago, y, sobre ésta, los anillos necesarios para completar una sobrecarga tal, que produzca una presión equivalente a la originada por todas las capas de pavimento que hayan de ir encima del suelo que se ensaya, la aproximación quedará dentro de los 2.27 kg (5.0 lb) correspondientes a una pesa. En ningún caso, la sobrecarga total será menor de 4.54 kg. (10lb).

Penetración – Se coloca sobre el espécimen las mismas sobrecargas que tuvo durante el período de inmersión. Para evitar el empuje hacia arriba del suelo dentro del agujero de las pesas de sobrecarga, es conveniente asentar el pistón luego de poner la primera sobrecarga sobre la muestra. Para ello, previamente se ha llevado el conjunto a la prensa y colocado el pistón de

penetración en el orificio central de la sobrecarga anular. Después de aplicar la carga de asentamiento se coloca el resto de las sobrecargas alrededor del pistón.

Se anotan las lecturas de la carga para las siguientes penetraciones:

Finalmente, se desmonta el molde y se toma de los 25 mm (1”) superiores, en la zona próxima a donde se hizo la penetración, una muestra para determinar su humedad. Su masa deberá ser de al menos 100 g si el suelo ensayado es de grano fino y de 500 g si es granular.

Método del Cono.El Penetrómetro Dinámico de Cono (PDC) mide la penetración dinámica por golpes, a través del terreno natural o suelo fundación, levemente cementados. Es un dispositivo utilizado para evaluar la resistencia in-situ de suelos inalterados o de materiales compactados.

Accesorio de deslizamiento. Un dispositivo opcional que facilita la lectura de la distancia que la punta del penetrómetro dinámico de cono (PDC) penetra dentro del suelo. Generalmente va asegurado al yunque del aparato o a la varilla inferior y se sostiene y se desliza sobre una escala independiente o puede estar sostenido por una varilla externa y deslizar a lo largo de la varilla inferior del penetrómetro.

El operador dirige la punta del PDC dentro del suelo, levantando el martillo deslizante hasta la manija y soltándolo para que caiga libremente hasta golpear el yunque. La penetración total para un determinado número de golpes es medida y registrada en términos de milímetros por golpe, valor que es utilizado para describir la rigidez, para estimar una resistencia CBR in-situ a través de una correlación apropiada o para establecer otras características del material.

El PDC puede ser utilizado para evaluar la densidad de un material razonablemente uniforme, relacionando la densidad con la tasa de penetración sobre el mismo material. De esta manera, suelos deficientemente compactados o bolsas blandas pueden ser identificados, aunque el PDC no mida la densidad directamente.

Procedimiento. Verificación del equipo. Antes de comenzar un ensayo, el dispositivo PDC debe ser

inspeccionado en las partes que pueden sufrir daños por fatiga, en particular en el ensamble y en la manija y se debe verificar que no exista un excesivo desgaste de la varilla ni del cono reutilizable. Todas las juntas deben ser ajustadas con seguridad incluyendo el yunque de ensamble y el cono reutilizable (o el adaptador del cono desechable) a la varilla de ensayo.

Operación básica. El operador sostiene el dispositivo a través de la manija en una posición vertical o a plomo, levanta y libera el martillo, de manera que caiga a la altura especificada. El encargado de registrar la información, mide y registra la penetración total para un determinado número de golpes o la penetración por cada golpe.

Caso de ensayo de una capa superficial. El PDC es sostenido verticalmente y la punta es asentada de tal manera que la parte más ancha del cono se encuentre a nivel con la superficie del material a ser ensayado. En ese instante, se toma una lectura inicial de la varilla graduada o de la regla separada para la medición. La distancia se mide con aproximación a 1 mm (0.04”).

Ensayo bajo una capa ligada. Cuando se ensayen materiales bajo una capa ligada se debe utilizar un sacanúcleos que cumpla los requisitos indicados en la Sección 5.4.3, para poder efectuar un orificio hasta la capa que será ensayada. La toma de núcleos por vía húmeda requiere que el fluido utilizado sea removido y el ensayo PDC sea realizado lo más rápidamente posible, sin exceder de 10 minutos luego de completada la operación de la toma del núcleo. No se debe permitir que el líquido empleado durante la toma del núcleo sature o penetre el material que va a ser ensayado. Un dispositivo de aspiración húmedo/seco o una alternativa adecuada debe ser utilizado apenas se termine de tomar el núcleo, para remover los materiales sueltos y los fluidos del orificio de acceso, antes de realizar el ensayo. Para minimizar la extensión de la perturbación que produce el sacanúcleos, el taladrado no debe atravesar completamente la capa ligada, sino que debe ser suspendido aproximadamente a 10 o 20 mm del fondo de ella. Entonces, se emplea el PDC para penetrar la parte final, de la capa ligada. Este puede ser un proceso complementario entre el taladrado y la ejecución de los ensayos de PDC, para determinar el espesor de la capa.

Una vez que la capa a ser ensayada ha sido alcanzada, se toma una lectura de referencia con el punto cero en la parte superior de dicha capa y se registran los espesores de las capas que han sido tomadas mediante núcleos. Esta lectura de referencia es el punto a partir del cual se mide la penetración subsecuente.

Caída del martillo. El dispositivo PDC es sostenido en una posición vertical o a plomo. El operador levanta el martillo hasta que hace ligero contacto con la manija, pero sin golpearla. Entonces, se permite la caída libre del martillo, el cual impacta el yunque de ensamble.

Extracción del Penetrometro.

Método de la placa.

Los ensayos de CBR "in situ" son usados para evaluación y diseño de las capas de un pavimento flexible como base, sub-base y sub-rasante y para otras aplicaciones (como vías sin capa de rodadura) para las cuales el CBR es el parámetro de resistencia deseado. Si el CBR in situ se va a usar directamente para evaluación o diseño sin considerar su variación debida a cambios en el contenido de agua, el ensayo se debe realizar en cualquiera de las siguientes condiciones: (a) Cuando el grado de saturación (porcentaje de "vacíos" llenos con agua) es 80% o mayor, (b) cuando el material es de grano grueso y no cohesivo, así que no es afectado de manera significativa por cambios en la humedad o (c) cuando el suelo no ha sido modificado por actividades de construcción durante los dos últimos años anteriores al ensayo. En el último caso, la humedad realmente no se vuelve constante sino que generalmente fluctúa dentro de un rango más bien estrecho. Por lo tanto, los datos del ensayo de campo se pueden usar para encontrar de manera satisfactoria la capacidad promedio de soporte de carga.

Gato mecánico de tornillo – Operado manualmente, equipado con un dispositivo giratorio especial de manivela para aplicar la carga al pistón de penetración y diseñado con las siguientes especificaciones:

Capacidad mínima de 2700 kg (5950 lb). Elevación mínima: 50 mm (2"). Manubrio desmontable de 150 mm (6") de radio. Relación de velocidad alta, aproximadamente 2.4 revoluciones para 1 mm (0.04") de

penetración. Relación de velocidad media, aproximadamente 5 revoluciones para 1 mm (0.04") de

penetración. Relación de velocidad baja, aproximadamente 14 revoluciones para 1 mm (0.04") de

penetración. Se pueden usar otras relaciones de velocidad, cuando esto sea más conveniente. También se pueden usar otros gatos mecánicos, con la misma carga máxima y altura de

elevación, siempre y cuando se obtenga con ellos una rata uniforme de penetración-carga de 1.3 mm (0.05") por minuto.

Anillos de carga – Dos en total, debidamente calibrados con las siguientes características: Rango de carga.- El anillo debe tener un rango de carga de 0 a 8.8 kN (0 a 1984 lbf) y el otro de 0

a 22.6 kN (0 a 5070 lbf) aproximadamente. Pistón de penetración – De 50.8 ± 0.1 mm (2 ± 0.004") de diámetro (3 pulg² = 19.35 cm2 de

área) y aproximadamente 101 mm (4") de longitud. Adaptador de Pistón y extensiones de tubo – Un adaptador de pistón y extensiones de tubo de

rosca interna con conectores. Se debe contar con extensiones de tubo en las siguientes cantidades y longitudes (u otra

combinación de longitudes que totalicen 2.4m (8 pies). Diales Deben existir dos diales: uno para medir deformaciones del anillo de carga con lecturas

de 0.0025 mm (0.0001") y recorrido de aproximadamente 6.4 mm (0.25") y otro para medir

penetraciones del pistón con lecturas de 0.025 mm (0.001") y recorrido de aproximadamente 25 mm (1"), equipado con un soporte o abrazadera de extensión para ajustar la posición del dial.

Soporte para el dial de penetración – Un soporte o puente de aluminio, hierro o madera de 76 mm (3") de altura y longitud aproximada de 1.5 m (5 pies).

Placa de carga – Placa circular de acero, de 254 ± 0.5 mm (10 ± 0.02") de diámetro, con un agujero central circular de 51 ±0.5 mm (2 ± 0.02") de diámetro. La placa debe pesar 4.54 ± 0.01 kg (10 ±0.02 lb).

Pesas de sobrecarga – Dos pesas anulares de sobrecarga de 4.54 ± 0.01 kg (10 ± 0.02 lb), de 216 ± 1 mm (8.5 ± 0.04") de diámetro total, y dos pesas similares de las mismas dimensiones, pero de 9.08 ± 0.01 kg (20 ± 0.02 lb) cada una.

Vehículo de carga (Reacción) – Un vehículo (o pieza de equipo pesado) de carga suficiente para proveer una reacción de aproximadamente 31 kN (6970 lb). El vehículo debe estar equipado con una viga metálica debidamente acondicionada en la parte posterior del chasis que ofrezca una reacción adecuada para forzar la penetración del pistón en el suelo. El vehículo se debe suspender suficientemente para eliminar la influencia de los resortes traseros y permitir que el ensayo de penetración se efectúe sin movimiento ascendente del chasis del vehículo. Para efectuar el ensayo se requiere disponer de un espacio vertical libre de aproximadamente 0.6 m (2 pies)

Gatos. Dos gatos tipo camión, de 15 toneladas (14Mg) de capacidad, de doble acción combinada y descenso automático.

Equipo misceláneo. Recipientes para muestras para determinación de humedad y peso unitario, espátula, regla de enrase, herramientas para excavar, etc.

Procedimiento.

Se prepara la superficie que va a ser ensayada, retirando el material suelto y superficial que no sea representativo del suelo que se va a ensayar. Se debe preparar un área de ensayo tan uniforme y horizontal como sea posible. Cuando se trate de materiales de base no plásticos, se debe tener especial cuidado para no alterar la superficie de ensayo. El espaciamiento de los ensayos de penetración debe ser tal, que la operación en un punto no altere el suelo del siguiente punto que va a ser penetrado. Esta separación debe ser como mínimo 175 mm (7") en suelos plásticos y de 380 mm (15") en suelos granulares gruesos.

Se sitúa el vehículo en tal forma que el centro del sistema de reacción quede directamente sobre la superficie por ensayar. Se instala el gato mecánico E 169 – 5 debajo de la viga o dispositivo de reacción, con la manivela hacia afuera. Se colocan los gatos del camión a cada lado del vehículo y se levanta para que no exista peso alguno sobre los resortes posteriores; se debe cerciorar que el vehículo está nivelado en la parte trasera.

Se ubica el gato mecánico en la posición correcta y se acopla el anillo de carga al extremo del gato. Se debe asegurar el adaptador del pistón al extremo inferior del anillo, se adiciona el número necesario de extensiones hasta alcanzar una altura menor de 125 mm (4.9") sobre la superficie de ensayo y se conecta el pistón de penetración. Se sujeta el gato en su sitio. Se debe comprobar el nivel del montaje del gato para asegurar la verticalidad del montaje y hacer los ajustes que sean necesarios.

Se coloca la sobrecarga de 4.5 kg (10 lb) debajo del pistón de penetración, de tal forma que cuando baje el pistón, éste pase a través del agujero central.

Se asienta el pistón bajo una carga inicial de aproximadamente 21 kPa (3 psi). Para una rápida colocación, se debe usar la relación de alta velocidad del gato. Para materiales de base con una superficie irregular, se coloca el pistón sobre una delgadísima capa de polvo de trituración de piedra caliza tamizada (mallas No.20 -No.40) o de yeso de París.

Si es necesario para lograr una superficie uniforme, se levanta la platina de carga mientras todavía está actuando la carga inicial sobre el pistón y se espolvorea uniformemente arena fina, en un espesor de 3 a 6 mm (0.12 a 0.24"), sobre la superficie que va a estar cubierta por la placa. Esto sirve para distribuir uniformemente el peso de la sobrecarga.

Se adiciona a la platina un número de pesos de sobrecarga tal, que transmita una presión equivalente a la intensidad de carga, producida por las capas de pavimento, que se colocarán sobre la sub-rasante, o la base o ambos, excepto que la mínima pesa aplicada será la de 4.5 kg (10 lb) más una pesa de sobrecarga de 9 kg (20 lb).

Se fija el soporte del dial de penetración al pistón y se sujeta el dial a dicho soporte.

Se coloca en cero las lecturas de ambos diales.

Se aplica la carga al pistón de penetración de tal manera que la velocidad aproximada de penetración sea de 1.3 mm (0.05") por minuto. Utilizando la relación de baja velocidad del gato durante el ensayo se puede mantener una rata uniforme de penetración por parte del operador. Se deben registrar las lecturas del anillo de carga para cada 0.64 mm (0.025") de incremento de penetración hasta una profundidad final de 12. 70 mm (0.500"). En suelos homogéneos las profundidades de penetración mayores de 7.62 mm (0.300") frecuentemente se pueden omitir. Se calculan el esfuerzo para cada incremento en la penetración en porcentaje. (Ver Sección 5 para los cálculos).

Al finalizar el ensayo, se debe obtener una muestra en el punto de penetración para determinar la humedad. También se debe determinar la densidad en un sitio alejado de 100 a 150 mm (4" a 6") del punto de penetración.

Ensayos.

Formato de Registro de datos del PDCNúmero de Golpes A

Penetración acumulada B (mm)

Penetración entre lecturas C(mm)

Penetración por golpe D(mm)

Factor del martillo E

Índice PDC F (mm/golpe)

CBR % G

0 2 2 - - -10 38.1 36.1 3.61 1 3.6 69.3

410 45.72 38.1 3.81 1 3.8 65.2

710 47.32 45.72 4.572 1 4.6 53.2

210 49.42 40.64 4.064 1 4.1 60.7

210 50.82 53.34 5.334 1 5.3 44.7

810 52.62 35.56 3.556 1 3.6 70.5

210 53.82 45.72 4.572 1 4.6 53.2

210 55.02 30.48 3.048 1 3.0 83.8

110 56.32 30.48 3.048 1 3.0 83.8

110 57.92 33.02 3.302 1 3.3 76.6

210 59.82 40.64 4.064 1 4.1 60.7

210 61.67 48.26 4.826 1 4.8 50.0

910 63.52 46.99 4.699 1 4.7 51.6

110 65.42 46.99 4.699 1 4.7 51.6

110 66.92 48.26 4.826 1 4.8 50.0

910 68.02 38.1 3.81 1 3.8 65.2

710 69.42 27.94 2.794 1 2.8 92.3

910 70.42 35.56 3.556 1 3.6 70.5

2

10 71.62 35.4 3.54 1 3.5 70.88

10 72.4 30.48 3.048 1 3.0 83.81

Número de golpes vs profundidad curva PDC

0 50 100 150 200 2500

1020304050607080

CURVA PDC

Series2

Golpes Acumulados

Prof

undi

dad

CBR in situ

CBR = Carga unitaria de ensayo * 100

Carga unitaria patrón

Mediciones Patrón de Carga Unitaria

PSI Kg/cm2 Deformación Deformación kg/cm210 0.7 0 0.1 7013 0.91 0.04 0.2 10521 1.47 0.1 0.3 13328 1.96 0.14 0.4 16230 2.1 0.2 0.5 183

CBR(0.1)= 2.1CBR(0.2)= 2

CBR Clasificación general usos Sistema de ClasificaciónUnificado AASHTO

0 - 3 muy pobre subrasante OH,CH,MH,OL A5,A6,A7 3 - 7 pobre a regular subrasante OH,CH,MH,OL A4,A5,A6,A7

7 - 20 regular sub-base OL,CL,ML,SC A2,A4,A6,A7SM,SP

20 - 50

bueno base,subbase GM,GC,W,SM A1b,A2-5,A3

SP,GP A2-6> 50 excelente base GW,GM A1-a,A2-4,A3

Anexos