ENSAYO C.B.R. California Bearing RatioASTM D 1883

El Ensayo CBR (California  Bearing Ratio: Ensayo de Relación de Soporte de California)  mide la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo y para poder evaluar la calidad del terreno para subrasante, sub base y base de pavimentos.

Se efectúa bajo condiciones controladas de humedad y densidad.

Este es uno de los parámetros necesarios obtenidos en los estudios geotécnicos previos a la construcción.

DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO

Este ensayo fue inventado por la División de Carreteras de California en 1.929 y nos permite determinar la Resistencia al Corte de un suelo bajo condiciones de

Humedad y Densidad controladas.

El CBR (California Bearing Ratio) se obtiene como un porcentaje del esfuerzo requerido para hacer  penetrar  un  pistón una profundidad de 0.1  pulgadas  en  una muestra  de suelo y  el esfuerzo   requerido   para   hacer   penetrar   el   mismo   pistón,   la   misma   profundidad   de   0.1 pulgadas, en una muestra patrón de piedra triturada.

Por lo tanto:

C.B.R =                                       Esfuerzo en el suelo ensayado

                                   Esfuerzo en el suelo patrón

Los valores para el suelo patrón  (roca triturada), se muestran a continuación:

La relación C.B.R. generalmente se determina para 0.1” y 0.2” de penetración, ósea para un esfuerzo de 1000 y 1500 libras por pulgada cuadrada en el patrón respectivamente.

Con el fin de duplicar en el laboratorio la condición más crítica que se presenta en el terreno, las muestras para el ensayo del C.B.R. se sumergen en agua hasta obtener su saturación.

Los ensayos C.B.R. se pueden efectuar también sobre muestras inalteradas obtenidas en el terreno y sobre suelos en el sitio.

EQUIPO/MATERIALES

Molde CBR, con collarín y la base perforada.

Disco espaciador.

Pistón o martillo (10 lb. Y altura de caída de 15-18 pulg.).

Plato y vástago.

Trípode y extensómetro.

Pistón cilíndrico.

Marco de carga CBR.

Tanque para inmersión.

Balanza.

Cronómetro.

Horno.

 

Descripción Ampliada

Diferenciamos distintos tipos de CBR en función de la calidad de suelos, a saber:

CBR suelos inalterados.

CBR suelos remoldeados.

CBR suelos gravosos y arenosos.

CBR suelos cohesivos poco o nada plásticos.

CBR suelos cohesivos plásticos.

Este procedimiento puede efectuarse en terreno compactado.

Este   procedimiento   mide   la   carga   necesaria   para   penetrar   un   pistón   de   dimensiones determinadas   a   una   velocidad   previamente   fijada   en   una   muestra   compactada   de   suelo después de haberla sumergido en agua durante cuatro días a la saturación más desfavorable y luego de haber medido su hinchamiento.

La   muestra   se   sumerge   para   poder   proveer   la   hipotética   situación   de   acumulación de humedad en el suelo después de la construcción. Por ello, después de haber compactado el suelo y de haberlo sumergido, se lo penetra con un pistón el cual está conectado a un pequeño "plotter" que genera una gráfica donde se representa la carga respecto la profundidad a la que ha penetrado el pistón dentro de la muestra.

La gráfica obtenida por  lo general  es una curva con el   tramo inicial  recto y  el   tramo final cóncavo hacia abajo; cuando el tramo inicial no es recto se le corrige.

Con la gráfica observamos los valores de la carga que soportaba el suelo cuando el pistón se había hundido 2.5 mm y 5mm y los expresamos en tanto por ciento (%), tomando como índice CBR el mayor de los porcentajes calculados.

TÉCNICA DEL ENSAYO

Preparación de la muestra.

Se pulverizan aproximadamente 100 libras de muestra con el rodillo; se pasa el material por el tamiz   ¾”   y   se   desechan   las   partículas   retenidas   en   el   tamiz;   el   material   desechado   es reemplazado por un peso igual de material, pero con partículas que sean retenidas en el tamiz ¼” y que pasen por el tamiz ¾”.

Se   determina   la   humedad   óptima   del   material   siguiendo   el   mismo   procedimiento   de   la Compactación Proctor Modificado con las siguientes excepciones:

Se usa el material que pase por el tamiz ¾” en lugar del ¼”.

Se usa el molde C.B.R. con sus aditamentos.

El material sobrante de la determinación de la humedad óptima (25 libras aproximadamente), se  mezcla   con  una   cantidad   suficiente  de   agua  para  producir   en   contenido  de  humedad necesario para obtener el máximo peso unitario seco. Se debe prevenir la evaporación.

Se pesan 3 moldes de C.B.R. con las respectivas placas de soporte del molde, estas deben tener 28 perforaciones de 1/8” de diámetro.

Se compactan 3 muestras en los moldes preparados, usando para el primero 56 golpes, para el segundo 25 golpes y para el tercero 10 golpes. Se deben tomar muestras de humedad para cada molde con anticipación. Cada capa debe ser de 1” de espesor después de compactada y la última capa debe estar ½” más arriba de la unión del molde con su collarín.

La humedad de las muestras así compactadas no debe ser ni mayor ni menor que 0.5% de la humedad óptima; de otra forma se debe repetir el ensayo.

Se   retira   el   collarín   del   molde   y   se   lo   pesa   junto   con   la   muestra   compactada,   el   disco espaciador y la placa de soporte.

Se coloca un filtro de papel sobre la placa de soporte y luego se voltea el molde con la muestra compactada (el espacio dejado por el disco queda lógicamente en la parte superior) y se coloca sobre la placa de soporte. La muestra está lista para ser sumergida.

Método de sumergir la muestra y medir los cambios volumétricos.

Con el fin de duplicar en el laboratorio las condiciones de saturación que se presentan en el terreno, la muestra preparada como se indica anteriormente, se sumerge en un recipiente. Se coloca   sobre   las  muestra   sobrepeso  de  5   libras   (esto   representa  aproximadamente  3”  de material). Por lo tanto si se desea calcular el número de sobrepesos necesarios, se estima el espesor en pulgadas del material que la muestra va a soportar y se divide por 3.

Se coloca un filtro de papel  sobre  la  superficie  de  la  muestra  compactada,   luego  la  placa perforada con su vástago y sobre esta los pesos y sobre-pesos requeridos.

Se coloca un extensómetro junto con un trípode que sirva para sostenerlo.

Se sumerge la muestra en el recipiente y se deja allí durante cuatro días hasta que esté completamente saturada y no tenga más cambios volumétricos; se debe tomar la lectura de los extensómetros todos los días.

Al cabo de 4 días se saca el molde del agua, se seca y se deja escurrir por espacio de 15 minutos. 

Se quitan los sobrepesos y se pesa la muestra saturada con el fin de apreciar la cantidad de agua absorbida por el espécimen. La muestra se encuentra lista para la penetración del pistón

Procedimiento (Penetración del Pistón)

Se colocan de nuevo los sobrepesos sobre la muestra saturada.

Se coloca la muestra sobre la plataforma de prensa del C.B.R. La muestra debe estar alineada con el pistón; se levanta la plataforma por medio del gato hidráulico hasta que el pistón esté en contacto con la muestra y se le esté aplicando una carga de 10 libras. Después se vuelve a colocar en cero el indicador de carga. Se coloca también el extensómetro en cero.

Se aplica la carga por medio del gato hidráulico de la prensa del C.B.R. a una velocidad de 0.05” por minuto. Se toma la lectura de las cargas, aplicadas a 0.025, 0.050, 0.075, 0.1, 0.3, 0.4 y 0.5” de penetración del pistón.

Se saca la muestra de la prensa del C.B.R. y se toma la muestra de humedad alrededor del orificio dejado por el pistón.

Para sacar la muestra del molde se usa el extractor de muestras con la placa de 6” de diámetro.

CÁLCULOS

Se calculan los Esfuerzos Aplicados dividiendo la carga para el área del pistón. La carga se obtiene multiplicando cada lectura del dial de cargas por la constante del aparato.

Se dibujan las curvas Esfuerzo vs. Penetración para cada molde, colocando en las abscisas cada una de los valores de penetración y en las ordenadas los respectivos esfuerzos.

En cada una de las curvas, el cero debe ser desplazado, para así compensar los errores debidos a irregularidades en la superficie de las muestras y para corregir la curva si esta empieza cóncava hacia arriba.

Se determina el valor del C.B.R. para cada molde tomando en cuenta que: La relación C.B.R. generalmente se determina para 1” y 2” de penetración, ósea para un esfuerzo de 1000 y 1500 libras por pulgada cuadrada en el patrón, respectivamente. De estos dos valores se usa el que sea mayor.  Se grafican los valores respectivos de Densidad Seca (antes de saturar) y C.B.R. de cada molde. Se determina el C.B.R. de la muestra de acuerdo a la Densidad Seca Máxima obtenida en el ensayo de Compactación, como se muestra a continuación:

El ensayo CBR (California Bearing Ratio) suele emplearse en carreteras y aeropuertos para la caracterización mecánica de los suelos por ser un ensayo sencillo para ser realizado in situ o en laboratorio.   Es,  posiblemente,   el   ensayo  más  utilizado  en   todo  el  mundo  para  estimar   la capacidad de soporte de una explanada, factor básico para el dimensionamiento de los firmes. En España ya no se utiliza el CBR para la clasificación de la explanada, actualmente la norma 6.1-IC “Secciones de firme”, clasifica las explanadas en función del módulo de compresibilidad en   el   segundo   ciclo   de   carga   del Ensayo   de   carga   con   placa (Ev2).   Sin   embargo,   en   la 

clasificación de los materiales para la formación de explanadas, dicha norma, sí utiliza el Índice CBR como  prescripción   complementaria   a   la Clasificación  de   suelos   del   PG-3 a   la   hora   de caracterizar dichos materiales.

El   ensayo   CBR   es   un   ensayo   de   penetración   o   punzunamiento   y   además   se   mide   el hinchamiento del suelo al sumergirlo durante 4 días en agua. En España se sigue la norma de ensayo NLT-111 que se corresponde con la norma ASTM 1883.

Se compacta una muestra de suelo, con la humedad y energía de compactación deseada, en un molde cilíndrico de 152,4 mm de diámetro interior y 177,8 mm de altura, provisto con un collar supletorio y una base perforada. Esta muestra se sumerge en agua durante 4 días con una   sobrecarga   que  ocasiona   una   compresión  equivalente   a   la   del   futuro  firme   sobre   la explanada, midiéndose el hinchamiento vertical, que se expresa en porcentaje de la altura de la muestra.

La muestra se ensaya a penetración mediante una prensa y un pistón cilíndrico de 49,6 mm de diámetro, que se desplaza a 1,27 mm/min a velocidad uniforme. El Índice resistente CBR se define como la razón, en porcentaje, entre la presión necesaria para que el pistón penetre en el suelo hasta una profundidad determinada y la correspondiente a esa misma penetración en una muestra patrón de grava machacada. Se obtiene este índice para dos penetraciones, de 2,54   y   5,08   mm,   tomándose   como   índice   CBR   el   mayor   valor. El suelo utilizado en el ensayo no puede contener más de un 10% de partículas retenidas por el tamiz   20   UNE,   pudiéndose   sustituir   hasta   un   30%   por   una   proporción   igual   de   material comprendido entre los tamices 5 y 20 UNE. La inmersión puede afectar, en algunos suelos, a la evaluación  de   la   resistencia  a  esfuerzo  cortante,   siendo esta  en  algunos  casos  demasiado pesimista. Este ensayo no está concebido para suelos granulares y los valores superiores a 20 tienen solamente una significación cualitativa.

¿Para qué sirve este ensayo?

Con este método se puede medir la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controlada.

También se dice que el cbr de un suelo es la carga unitaria que corresponde a 0.1” y 0.2” de penetración y que su valor se expresa en %.

Es decir el cbr es nada más y nada menos que la relación entre la carga  vs la penetración  en un espécimen con una muestra de suelo con una humedad y densidad dada que podemos conseguir de un patrón (Proctor).

Bien, las herramientas que usaremos para hacer este ensayo serán:

PARA LA COMPACTACIÓN

Molde de diámetro de = 6”, altura de 7” a 8” y un collar de 2”.

Disco espaciador de acero diámetro 5 15/16” y una altura 2.5”

Martillo con un peso de 10 lb. Y una altura de caída de 18”.

Trípode y dial de formímetro con   aprox. 0.001”.

Pesas de anulares de 5 lbs c/u (2 pesas).

PARA LA PRUEBA DE PENETRACIÓN

 Pistón  sección circular Diámetro de  2 pulg.

Aparato para aplicar la carga: Prensa hidráulica. V= 0.05 pulg/min. Con anillo calibrado.

Herramientas   varias:   balanza,   tamices,   cronómetro,   papel   filtro,   horno,   tanques para  inmersión de muestra a saturar,  etc.

LO QUE VAMOS A CONSEGUIR CON ESTE ENSAYO SON LOS SIGUIENTES VALORES:

Determinación de la densidad y humedad.

Determinación de las propiedades expansivas del material.

Determinación de la resistencia a la penetración.

PROCEDIMIENTO:

Lo primero que haremos es preparar el material para el ensayo. Esta tal vez es la parte más importante del ensayo, bueno vamos paso a paso.

Secar el material al sol o en un horno a una temperatura de 60°c

Desmenuzar los terrones (podemos usar un mazo con cabeza de hule) debemos cuidar de no romper las partículas individuales en la muestra.

Cuarteamos y conseguimos aproximadamente 20 kg. De material. (basado en una curva de 3 puntos)

 Tamizamos por el tamiz ¾”

El material retenido en el tamiz ¾” lo pesamos y reemplazamos por material retenido entre ¾” y #4 (debemos tamizar aparte otra cantidad de material por el tamiz ¾” y el #4 para tener material para reemplazar)

 Con la ayuda de una espátula ancha mezclamos todo muy bien

 Obtenemos la humedad que tiene el material en ese momento

Llevar el material a la condición de humedad optima conseguida con el Proctor

Nota importante: la humedad de la muestra a compactar no deberá variar más  de 2% de la humedad del Proctor.

MOLDEANDO LAS MUESTRAS

En el cilindro con su collar colocamos   el espaciador y el papel filtro,

Llenamos el molde en 5 capas compactamos con los golpes necesarios para cada espécimen, conservar material para verificar la humedad del espécimen.

Tenemos que hacer uno con 10, 25,56  golpes por capa

Quitamos el collar y enrasamos bien

Volteamos el molde

Quitamos el disco espaciador y el filtro

Determinamos la densidad y la humedad de la muestra

Ponemos el filtro sobre la superficie enrasada y esta va a ser la parte inferior de la muestra

En la parte donde estaba el espaciador colocamos otro filtro y

El plato con un vástago graduable

Sobre este plato se colocan las sobrecargas necesarias   (mínimo 4.5 Kg)

Se coloca el molde dentro de un recipiente con agua suficiente para que pueda cubrir por completo el molde

Se monta el trípode con un extensómetro y se toma una lectura inicial y se tomará cada 24 horas

Después de 96 horas o antes, depende si el material es expansivo o no se tomara la última lectura para calcular el hinchamiento.

RESISTENCIA A LA PENETRACIÓN

Luego de que ya hemos hecho todo esto (saturación)

Sujetamos  bien  el   plato  que  pusimos   sobre  el   espécimen  y   lo   inclinamos  para  drenar   la muestra por aproximadamente 15 minutos y

Removeos el plato disco, filtro y los contrapesos

Pesamos la muestra

Se  ponen   los   contrapesos   necesarios   para   semejar   el   peso   del   pavimento   (generalmente podemos usar los contrapesos utilizados en la saturación)  

Colocamos el espécimen en una  prensa y aplicamos una carga de  10 lb para asentar el pistón.

Ajustamos el dial de carga y el deformímetro a ceros.

Iniciamos la penetración a una rata de velocidad de .05”/min

Hacemos lecturas cada  0.025” de penetración y  anotamos la carga que se ha conseguido en cada punto.

Cuando lleguemos a 0.5” paramos de leer y soltamos la carga,

Retiramos el espécimen de la prensa y determinamos la humedad (superior, medio, inferior de la muestra)

CÁLCULOS

Las   lecturas  tomadas,   tanto  de  las  penetraciones  como  de   las  cargas,   se   representan gráficamente en un sistema de coordenadas como se indica en la Fig. 4.

Si la curva  esfuerzo - penetración  que se  obtiene es  semejante a la del ensayo No. 1 de la Fig. 4, los valores anotados serán los que se tomen en cuenta para el cálculo de CBR.

En   cambio,   si   las   curvas   son   semejantes   a   las   correspondientes   a   los   No.   2   y 3,  las  curvas  deberán 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, serán 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   penetración corregida de 0.1” será de 300 lb/pulg2 en lugar de 120 lb/pulg2, que es la correspondiente a   la   lectura  inicial  sin corregir de 0.1”.

Si   los   CBR   para   0.1”  y  0.2”   son semejantes,   se  recomienda  usar   en   los   cálculos,  el  CBR correspondiente   a   0.2”.   Si  el  CBR  correspondiente   a  0.2”  es muy superior  al   CBR   correspondiente al  0.1”, deberá repetirse el ensayo.