Universidad Nacional de IngenieraFIC CISMID

C.B.R.(California Bearing Ratio)

Ing. Luis Chang ChangLaboratorio Geotcnico Centro Peruano Japons de Investigaciones Ssmicas y Mitigacin de Desastres (CISMID)

Indice1.- Origen2.- Definicin de CBR 3.- Definicin de Nmero de CBR 4.- Determinacin de CBR para suelos remoldados 4.1 Equipo 4.2 Preparacin del material 4.3 Determinacin de la densidad y humedad 4.4 Determinacin de la expansin del material 4.5 Determinacin de la resistencia a la penetracin 5- Clculo del CBR 1A Suelos gravosos y arenosos 2B Suelos cohesivos, plsticos, poco o nada expansivos. 3C Suelos cohesivos, plsticos y expansivos 6.- Valores referenciales, usos y suelos.

1.- OrigenEste mtodo fue propuesto en 1929 por los ingenieros T. E. Stanton y O. J. Porter del departamento de carreteras de California. Desde esa fecha tanto en Europa como en Amrica, el mtodo CBR se ha generalizado y es una forma de clasificacin de un suelo para ser utilizado como subrasante o material de base en la construccin de carreteras. Durante la segunda guerra mundial, el cuerpo de ingenieros de los Estados Unidos adopt este ensayo para utilizarlo en la construccin de aeropuertos.

2.- Definicin de CBREl CBR de un suelo es la carga unitaria correspondiente a 0.1 0.2 de penetracin, expresada en por ciento en su respectivo valor estndar. Tambin se dice que mide la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controlada. El ensayo permite obtener un nmero de la relacin de soporte, que no es constante para un suelo dado sino que se aplica solo al estado en el cual se encontraba el suelo durante el ensayo.

Fig 1. El asumido mecanismo de falla del suelo generado por el pistn de 19.4 cm2 en el Ensayo C.B.R. La condicin de frontera es un problema.

3.-Definicin

de

nmero

CBR

El nmero CBR (o simplemente CBR), se obtiene de la relacin de la carga unitaria (lbs/pulg2.) necesaria para lograr una cierta profundidad de penetracin del pistn de penetracin (19.4 cm2) dentro de la muestra compactada de suelo a un contenido de humedad y densidad dadas con respecto a la carga unitaria patrn (lbs/pulg2.) requerida para obtener la misma profundidad de penetracin en una muestra estndar de material triturado.

Los ensayos de CBR se hacen usualmente sobre muestras compactadas al contenido de humedad ptimo para un suelo especfico, determinado utilizando el ensayo de compactacin estndar o modificado del experimento.

Proctor Estndar ASTMA Peso martillo (lb) 5.5 Dim. molde (pulg) 4 No. de capas 3 No. golpes/capa 25 B 5.5 4 3 25

D 698

C 5.5 6 3 56D 1557

Proctor Modificado ASTMA Peso martillo (lb) 10 Dim. molde (pulg) 4 No. de capas 5 No. golpes/capa 25 B 10 4 5 25

C 10 6 5 56

CBR - ASTM D 4429- 93 Dim. del molde (pulg.) Martillo (lb.) No. de capas No. golpes / capa 10 6 10 5 25 56

El mtodo CBR comprende los 3 ensayos siguientes:

- Determinacin de la densidad y humedad. - Determinacin de las propiedades expansivas del material. - Determinacin de la resistencia a la penetracin.

El comportamiento de los suelos vara de acuerdo a su grado de alteracin (inalterado y alterado) y a su granulometra y caractersticas fsicas (granulares, finos, poco plsticos). El mtodo a seguir para determinar el CBR ser diferente en cada caso.

A. Determinacin del CBR de suelos perturbados y remoldados: 1. Gravas y arenas sin cohesin. 2. Suelos cohesivos, poco plsticos y poco o nada expansivo. 3. Suelos cohesivos y expansivos. B. Determinacin del CBR de suelos inalterados. C. Determinacin del CBR in situ.

4.0 Determinacin del CBR de Suelos Remoldados ASTM D 18834.1 EquipoPara la Compactacin

- Molde de dim.= 6, altura de 7 a 8 y un collarn de 2. - Disco espaciador de acero dim. 5 15/16 y alt. 2.5 - Pisn Peso 10 lb. y altura de cada 18. - Trpode y extensmetro con aprox. 0.001. - Pesas de plomo anular de 5 lbs c/u (2 pesas).Para la Prueba de Penetracin

- Pistn seccin circular Dim. = 2 pulg. - Aparato para aplicar la carga: Prensa hidrulica. V= 0.05 pulg/min. Con anillo calibrado. - Equipo miscelneo: balanza, horno, tamices, papel filtro, tanques para inmersin de muestra a saturar, cronmetro, extensmetros, etc.

Fig. 2. Equipo empleado para las pruebas de compactacin e hinchamiento.

Foto 1. El equipo CBR para realizar, el tamizado, humedecimiento, la mezcla de suelo y la compactacin.

4.2 Preparacin del materiala) Secar el material al aire o calentndolo a 60o C. b) Desmenuzar los terrones existentes y tener cuidado de no romper las partculas individuales de la muestra. c) La muestra deber tamizarse por la malla y la No. 4. La fraccin retenida en el tamiz deber descartarse y reemplazarse en igual proporcin por el material comprendido entre los tamices y No. 4. Luego se mezcla bien. d) Se determina el contenido de humedad de la muestra as preparada.

Cantidad de materialPara cada determinacin de densidad (un punto de la curva de compactacin), se necesitan 5 k de material. Para la curva con 6 puntos se necesitar 30 k de material. Cada muestra se utiliza una sola vez.

4.3 Determinacin de la densidad y humedadPreparar una muestra que tenga la misma densidad y humedad que se proyecta alcanzar en el sitio donde se construir el pavimento. Procedimiento: a) En el molde cilndrico se coloca el disco espaciador y papel filtro grueso 6. b) La muestra se humedece aadiendo una cantidad de agua calculada. Se mezcla uniformemente. La humedad entre dos muestras debe variar en 2%. c) La muestra se divide en 5 partes. Se compacta en 5 capas con 10, 25 y 56 golpes / capa. La briqueta compactada deber tener un espesor de 5. d) Se quita el collarn, se enrasa la parte superior del molde, se voltear el molde y se quitar la base del molde perforada y el disco espaciador. e) Se pesar el molde con la muestra, se determinar la densidad y la humedad de la muestra.

Humedad de mezcladoEs un factor importane en debidamente. suelos finos y debe controlarse

El contenido de humedad de la muestra amasada que se va a compactar, deber ser igual al correspondiente a la densidad que se desea obtener, se ha comprobado que si esta humedad de mezclado vara en 0.5% de la que se desea obtener, los CBR variarn apreciablemente an cuando se obtenga una densidad aproximadamente igual a la densidad deseada.

4.4 Determinacin de la expansin del materiala)Determinada la densidad y humedad se coloca el papel filtro sobre la superficie enrasada, un plato metlico perforado y se voltear el molde. b) Sobre la superficie libre de la muestra se colocar papel filtro y se montar el plato con el vstago graduable. Luego sobre el plato se colocar varias pesas de plomo. La sobrecarga mnima ser de 10 lbs. c) Colocado el vstago y las pesas, se colocar el molde dentro de un tanque o depsito lleno con agua. d) Se monta el trpode con un extensmetro y se toma una lectura inicial y se tomar cada 24 horas. e) Al cabo de las 96 horas o antes si el material es arenoso se anota la lectura final para calcular el hinchamiento. Se calcula el % de hinchamiento que es la lectura final menos la lectura inicial dividido entre la altura inicial de la muestra multiplicado por 100. Los adobes, suelos orgnicos y algunos suelos cohesivos tienen expansiones muy grandes generalmente mayor del 10%.

Fig. 3. Disposicin de las diferentes piezas, durante la ejecucin de los ensayos de hinchamiento y penetracin.

Los especimenes son saturados por 96 horas,con una sobrecarga igual peso del pavimento que se utilizar en el campo pero en ningn caso ser menor que 4.50 k. Es necesario durante este periodo tomar registros de expansin cada 24 horas y al final de la saturacin tomar el porcentaje de expansin que es:

E (%)=

Expansin x100 Altura de la muestra

Las especificaciones establecen que los materiales de prstamo para: Sub base deben tener expansiones menores de 2% Base 1% Como dato informativo observar el hinchamiento versus el CBR: Suelo con hinchamiento 3% o mas, generalmente tienen Suelo con hinchamiento 2% como mximo tienen Suelos con hinchamiento < 1% tienen generalmente Drenaje CBR < 9 % CBR 15% CBR > 30%.

Despus de saturada la muestra, se saca del cilindro y cuidadosamente se drena durante 15 minutos el agua libre que queda. Como para drenar bien el agua es necesario voltear el cilindro sujtese bien el disco y las pesas metlicas al hacer esta operacin. Luego remuvase el disco, las pesas y el papel filtro, psese la muestra.

4.5 Determinacin de la resistencia a la penetracina) Si no es necesario sumergir la muestra en agua, se colocar sobre ella lapesa anular y se montarn las pesas de plomo, de tal modo que se obtenga una sobrecarga semejante a la del pavimento a construirse. Pasar a c) y d).

b) Si la muestra ha sido sumergida en agua para medir su expansin, y despusque haya sido drenada, se colocar la pesa anular y encima de las pesas de plomo que tena la muestra cuando estaba sumergida en agua; o sea que la sobrecarga para la prueba de penetracin deber ser prcticamente igual a la sobrecarga que tena durante el ensayo de hinchamiento.

c) El molde con la muestra y la sobrecarga, se coloca debajo de la prensa y seasienta el pistn sobre la muestra, aplicando una carga de 10 lbs.

d) Una vez asentado el pistn, se coloca en cero el extensmetro que mide lapenetracin y el dial del extensmetro tambin se coloca en cero.

e) Se hinca el pistn en incrementos de 0.025 a la velocidad de 0.05/ minuto y se leen las cargas totales que ha sido necesario aplicar hasta hincar el pistn 0.50 pulgada. f) Una vez hincado el pistn hasta 0.50 pulgada, se suelta la carga lentamente; se retira el molde de la prensa y se quitan las pesas y la base metlica perforada. g) Finalmente se determina el contenido de humedad de la muestra. Para el control de campo, bastar determinar el contenido de humedad correspondiente a la parte superior de la muestra pero en el laboratorio se recomienda tomar el promedio de los diferentes contenidos de humedad ( parte superior e inferior de la muestra).

Foto 2. El equipo manual de CBR. La muestra est instalada, el anillo y su dial de deformaciones, el dial para medir las deformaciones y el pistn de 19.4 cm2 de rea transversal.

Foto 3. El marco de carga, el anillo y el dial de deformaciones.

Foto 4. La muestra instalada, las columnas del marco, el pistn y el dial de deformaciones.

Foto 5. La manijuela del equipo para correr el ensayo.

Foto 6. El extractor de la muestra de los moldes. La palanca del gato y el marco del equipo.

5.- Clculo del CBRLas lecturas tomadas, tanto de las penetraciones como de las cargas, se representan grficamente en un sistema de coordenadas como se indica en la Fig. 4. Si la curva esfuerzo - penetracin que se obtiene es semejante a la del ensayo No. 1 de la Fig. 4, los valores anotados sern los que se tomen en cuenta para el clculo de CBR. En cambio, si las curvas son semejantes a las correspondientes a los No. 2 y 3, las curvas debern ser corregidas trazando tangentes en la forma indicada en la Fig. 4. Los puntos A y B, donde dichas tangentes cortan el eje de abscisas, sern los nuevos ceros de las curvas. Las cargas unitarias y penetraciones se determinaran a partir de estos ceros. Si analizamos la curva del ensayo No. 3 tendremos que le esfuerzo correspondiente a la penetracin corregida de 0.1 ser de 300 lb/pulg2 en lugar de 120 lb/pulg2, que es la correspondiente a la lectura inicial sin corregir de 0.1.

Fig. 4. Curvas que relacionan la hinca del pistn con las presiones aplicadas.

C arg a unitaria del ensayo CBR = C arg a unitariapatrn x 100 (%) CBR = El nmero CBR es un porcentaje de la carga unitaria patrn. En la prctica, el smbolo de % se quita y la relacin se presenta simplemente por el nmero entero. Para determinar el CBR se toma como material de comparacin la piedra triturada que sera el 100%, es decir CBR = 100%. La resistencia a la penetracin que presenta a la hinca del pistn es la siguiente: Penetracin Mpa 6.9 0.3 13.0 16.0 18.0 Carga Unitaria Patrn Psi k/cm2 1,000 70 1,500 105 1,900 133 2,300 161 2,600 182

mm 2.5 5.0 7.5 10.0 12.7

pulg 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

Si los CBR para 0.1 y 0.2 son semejantes, se recomienda usar en los clculos, el CBR correspondiente a 0.2.

Si el CBR correspondiente a 0.2 es muy superior al CBR correspondiente al 0.1, deber repetirse el ensayo.

Fig. 5. Curvas esfuerzo penetracin para diferentes tipos de suelos.

1A. Suelos gravosos y arenosos Estos suelos en la clasificacin unificada, corresponden a los siguientes grupos: GW, GP, SW y SP. - Son suelos generalmente de Ip < 2 y de compactacin rpida en el campo. - En general el CBR casi no vera apreciablemente con los cambios de humedad. - El CBR se puede determinar sin saturar la muestra. - El CBR que se adopte podr ser el que corresponde a su mxima densidad o sise sigue un criterio mas conservador, el menor de los CBR obtenidos. - El CBR de estos suelos granulares es generalmente mayor de 20%.

1B Suelos cohesivos, plsticos, poco o nada expansivos Estos suelos son los mas comunes y pertenecen a la siguiente clasificacin unificada: GM, GC, SM, SC, CL, ML, OL. A - Se aplica a condiciones climatricas normales y a aquellos suelos cuyo CBR no vare apreciablemente con el contenido de humedad. - No requiere estricto control de la humedad cuando se compacta en el campo. B - Se aplica a condiciones climatricas desfavorable y a aquellos suelos que son muy sensibles a cambios de humedad. - Se requiere un mayor control de la humedad en el campo.

Procedimiento IA) Se determinar una curva compactacin a 56 golpes. B) Se preparan 3 muestras (56, 25, 10) a humedad ptima 0.5%. C) Cada muestra se satura y se anota la expansin. D) Despus de las 96 horas se corre el ensayo. E) El CBR de diseo ser aquel correspondiente a la densidad que se especifique.

Fig. 6. Determinacin del CBR para suelos poco sensibles a cambios pequeos de humedad (Procedimiento I).

Procedimiento IIA) Se recomienda realizar 3 curvas de compactacin cada una de ellas a 56, 25, 10 golpes/capa. B) Se saturan por 96 horas, se determina el hinchamiento y se drena. C) Se determina el CBR de cada muestra. D) Las curvas correspondientes a los contenidos de humedad, densidades y valores corregidos de los CBR se representan como en la Fig 7. E) En la Fig. 8A, se determina la zona densidad humedad, de acuerdo a la clase de obra y a las normas a seguirse. F) El CBR de diseo se seleccionar de las curvas CBR - Densidad, CBR Humedad, representadas en las Fig 8B, y 8C. G) Generalmente la densidad que se selecciona para determinar el CBR es la correspondiente al 95% de la MDS.

Fig. 7. Relacin entre el esfuerzo de compactacin por unidad de volumen y la densidad mxima.

Fig. 8. Familia de curvas que relacionan los CBR corregidos con los contenidos de humedad y densidades.

1C Suelos cohesivos, plsticos y expansivos Estos suelos pertenecen a la clasificacin unificada: MH, CH y OH. - El mtodo que se sigue es semejante al Procedimiento II. - Seleccionar cuidadosamente las humedades y densidades. - No siempre la humedad ptima y la densidad mxima es la mas adecuada. - Muchas veces el hinchamiento de estos suelos es menor cuando se compacta a densidades y con humedades distintas a la densidad mxima y humedad ptima. - El CBR a usar es aquel en que el suelo presente menor hinchamiento. - Para facilitar la seleccin del CBR de diseo, es recomendable es recomendable representar grficamente los % de hinchamiento vs. Los contenido de humedad en los diferentes estados de compactacin. - La comparacin de las curvas que relacionan los hinchamientos, CBR y densidades con las humedades de compactacin permitir establecer los lmites de humedad y densidad apropiados, facilitando as la seleccin del CBR de diseo.

6.- Valores referenciales de CBR, usos y suelos.Sistema de clasificacin No. CBR 03 37 7 20 20 - 50 > 50 Clasificacin general Muy pobre Muy pobre a regular Regular Bueno Excelente Usos Sub rasante Sub rasante Sub base Sub base y base Base Unificado OH,CH,MH,OL OH,CH,MH,OL OL,CL,ML,SC,S M,SP GM,GC,SW,SM, SP,GP GW, GM AASHTO A5, A6,A7 A4,A5,A6,A7 A2,A4,A6,A7A-1b,A2-5, A-3, A2-6

A1a,A2-4,A-3

ENSAYO DE LA RELACION DE SOPORTE DE CALIFORNIA - C. B. R. (ASTM - D1883) INFORME N SOLICITANTE PROYECTO UBICACION FECHA Progresiva (km) Tipo de capa : : : : : LG01-159 MTC - PRT - PERT Evaluacin de la Carretera Corral Quemado - Ro Nieva Dpto. Amazonas Enero, 2002 Profundidad (m) Clasific. (SUCS) : 1.30 : CL

: 306 + 000 : Suelo Natural

ENSAYO PRELIMINAR : PROCTOR MODIFICADO ( ASTM - D1557 A ) 6.6 8.6 Humedad (%) 1.989 2.061 Densidad Seca (g/cm) ETAPA DE COMPACTACION Identificacin del molde Nmero de capas Golpes por capa Humedad inicial (% ) Humedad final (% ) Densidad seca (g/cm) ETAPA DE EXPANSION TIEMPO ( min ) 5330

10.7 2.061

12.4 1.991

Molde I 5 13 9.7 19.0 1.89

Molde II 5 27 9.7 17.3 1.99

Molde III 5 56 9.7 15.6 2.07

Molde I (%) 4.05

Molde II (%) 3.12

Molde III (%) 2.79

ETAPA DE APLICACIN DE PRESIN Penetracin Molde I ( pulg ) ( mm ) (lb/pulg) 0.0 0.000 0.00 18.9 0.025 0.64 33.0 0.050 1.27 47.2 0.075 1.91 62.9 0.100 2.54 80.2 0.150 3.81 95.9 0.200 5.08 113.2 0.250 6.35 132.0 0.300 7.62 169.8 0.400 10.16 204.4 0.500 12.70 ETAPA DE CORRECCIN DE LA PRESION Molde I Identificacin del molde 0.1 0.2 Penetracin (Pulg) 62.9 95.9 Presin (lb/pulg) 6.3 6.4 C.B.R. (%)

Molde II (lb/pulg) 0.0 28.3 55.0 86.5 111.6 149.3 188.6 224.8 254.7 301.8 345.8

Molde III (lb/pulg) 0.0 44.0 69.2 97.5 125.8 172.9 216.9 259.4 301.8 385.1 465.3

Molde II 0.1 111.6 11.2 0.2 188.6 12.6 0.1 125.8 12.6

Molde III 0.2 216.9 14.5

NFORME N

: LG01-159 : : : : MTC - PRT - PERT Evaluacin de la Carretera Corral Quemado - Ro Nieva Dpto. Amazonas Enero, 2002 CURVA DE PENETRACION

Progresiva (km) Tipo de capa Profundidad (m) Clasific. (SUCS) Ensayo preliminar

: 306 + 000 : : : : Suelo Natural 1.30 CL Proctor Modificado

SOLICITANTE PROYECTO UBICACION FECHA

CURVA CORREGIDA DE PENETRACION500 M olde I : 13 Golpes M olde II : 27 Golpes M olde III : 56 Golpes

500

M olde I : 13 Golpes M olde II : 27 Golpes M olde III : 56 Golpes

400

Presin (lb/pulg)

300

Presin (lb/pulg)

200

100

0

0 0.0

100

200

300

400

0.0

0.1

0.2 0.3 Penetracin (pulg.)

0.4

0.5

0.1

0.2 0.3 Penetracin (pulg.)

0.4

0.5

INFORME N SOLICITANTE PROYECTO UBICACION FECHA2.08 2.07 2.06 2.05 2.04 2.03 2.02 2.01 2.00 1.99 1.98 6

: : : : :

LG01-159 MTC - PRT - PERT Evaluacin de la Carretera Corral Quemado - Ro Nieva Dpto. Amazonas Enero, 2002 CURVA DE COMPACTACION2.08 M. D. S . 2.06 2.04 O. C. H. Densidad Seca (g/cm) 2.02 2.00

Progresiva (km) Tipo de capa Profundidad (m) Clasific. (SUCS) Ensayo preliminar CURVA DE C.B.R. RESULTADOS C. B. R. (95%) = 10.4 % C. B. R. (98%) =98 % M .D.S.

: : : : :

306 + 000 Suelo Natural 1.30 CL Proctor Modificado

RESULTADOS O. C. H. = 9.7 % M. D. S. = 2.073 g/cm

M olde III

12.1 %

Densidad Seca (g/cm)

M olde II 1.98 1.96 1.94 1.92 1.90 M olde I 1.88 0.1 Pulg. 0.2 Pulg. 8 9 10 11 12 13 14 15 95 % M .D.S.

7

8

9 Humedad (%)

10

11

12

13

6

7

C.B.R. (%)

Bibliografa- Bowles, Joseph E. (1981), Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniera Civil . Mc Graw-Hill Book Company. - Bowles, Joseph E. (1984), Physical and Geotechnical Properties of Soils. McGraw-Hill Book Company. - Das, Braja M. (2001), Fundamentos de Ingeniera Geotcnica, Thomson Learning. - Das, Braja M. (2001), Principios de Ingeniera de Cimentaciones, International Thomson Editores. - Head, K. H. (1980), Manual of Soil Laboratory Testing, Volume 1, 2. Pentech Press London: Plymouth. - JICA TIATC (1988), Irrigation and Drainage Course, Soil Test - Lambe, T. W. (1951), Soil Testing for Engineers, John Wiley and Son, New York. - McCarthy, David F. (1988), Essentials of soil Mechanics and Foundations: Basic Geotechnics, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey 07632. - Universidad Nacional de Ingeniera FIC ( ), Laboratorio de Mecnica de Suelos. - Valle Rodas, Ral (1982), Carreteras, Calles y Aeropistas, El Ateneo. - Vivar Romero, Germn (1990-1991), Diseo y Construccin de Pavimentos, Ediciones CIP.