CBR VRS Y PRUEBA DE PLACA.pdf

UNIDAD 3 – PAVIMENTOS

3.- CBR, VRS Y PRUEBA DE PLACA El CBR es un ensayo para evaluar la calidad de un material de suelo con base en su resistencia, medida a través de un ensayo de placa a escala. CBR significa en español relación de soporte California, por las siglas en inglés de «California Bearing Ratio», aunque en países como México se conoce también este ensayo por las siglas VRS, de Valor Relativo del Soporte.

Aunque fue desarrollado en 1925, el ensayo comienza a aparecer en los estándares norteamericanos ASTM (por American Standards for Testing and Materials) desde 1964, en su versión para laboratorio (ASTM D 1883), y en su versión para campo (ASTM D 4429). A pesar de sus múltiples limitaciones, hoy por hoy, el CBR es uno de los ensayos más extendidos y aceptados en el mundo debido al relativo bajo costo de ejecución (si se compara con ensayos triaxiales), y a que está asociado a un número grande de correlaciones y métodos semi-empíricos de diseño de pavimentos. El valor de CBR tiene sus limitaciones como parámetro geomecánico para el diseño de pavimentos y rellenos estructurales, sin embargo, sigue resultando muy utilizado por su costo y relativa facilidad. El valor de soporte de California, cuyas siglas CBR viene de California Bearing Ratio fue considerada por Porter en el estado de California para 1 de 40

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estandarizar un modelo de ensaye a esfuerzo cortante para determinar la resistencia del suelo para ser considerado en el diseño de un pavimento. En México fue considerado como el Valor Relativo de Soporte, contemplando el ajuste propuesto por el Ing. Rodrigo Padrón para el manejo de las características de clima propicias en México mediante el ajuste de humedades a diferentes grados de compactación, creando el estándar VRS modificado, mismo que se usa para diseñar los espesores de un pavimento. Los valores de CBR cercanos a 0% representan a suelos de pobre calidad, mientras que los más cercanos a 100% son indicativos de la mejor calidad. Es posible en ocasiones obtener registros de CBR mayores que 100%, típicamente en suelos ensayados en condición «en seco» o «tal como se compactó». Dichos valores deberán ser interpretados. En la versión de CBR de laboratorio, los especímenes de suelo se compactan con el equipamiento del ensayo Proctor, utilizando moldes de 6” de diámetro y martillo grande. La velocidad de penetración del pistón durante el ensayo es constante e igual a 1.27 mm/min. Condiciones de hidratación y sobrecarga: Además de todas estas consideraciones, en el ensayo de CBR se pueden variar tanto la condición de hidratación, como el número de sobrecargas anulares. ASTM D1883. Para ASTM, la condición de hidratación por defecto es la de 4 días de inmersión (96 horas), a menos que la agencia o especificación solicite una diferente, como por ejemplo «tal como se compactó», o la llamada «humedad de equilibrio u optima». La de 4 días es también la condición más utilizada en todo el mundo; inclusive hay especificaciones que la requieren expresamente (independientemente de que el suelo no vaya a estar en esa condición durante la vida útil del pavimento o estructura civil). ASTM dice que el número de sobrecargas, que es un máximo de tres, deben utilizarse según el nivel de confinamiento al que se estime vaya a tener el suelo en la estructura. El número mínimo es una. Succión: mientras mayor es la succión, el suelo está más seco y se aumenta la resistencia. Si disminuye la succión el suelo baja su resistencia. Esto está relacionado con el grado de saturación. a) Para un mismo grado de compactación, el valor CBR disminuye con el aumento del grado de saturación. b) Para un mismo grado de saturación, el valor CBR aumenta con el grado de compactación

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Uso del ensaye: El CBR es un ensayo que se puede utilizar para evaluar y diseñar. Se evalúan subrasantes o superficies de colocación de estructuras. Por otra parte, se diseñan suelos para ser utilizados como materiales de base y subbase de pavimento, o para rellenos estructurales. Limitaciones del ensayo: La siguiente es una lista no exhaustiva de limitaciones que tiene el CBR y que suscitan la mayoría de las críticas a este ensayo: 1. El valor de CBR no comporta, per se, un parámetro geomecánico, aunque está asociado a múltiples correlaciones y métodos semiempíricos de diseño de pavimentos. 2. Durante el ensayo bajo condición de 4 días de inmersión no es posible controlar el grado de saturación del suelo. El espécimen es sacado del agua y dejado escurrir por 15 minutos antes de ser ensayado. Este escurrimiento incrementa la succión en el suelo de forma descontrolada, lo que da lugar a resultados sesgados.

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3. La gráfica densidad versus CBR recomendada en el procedimiento ASTM para obtener el CBR de diseño del suelo no es, por definición, una curva de diseño. Por tanto, en el sentido estricto, no debería ser usada para diseñar el suelo compactado. De hacerse se obtendrían resultados sesgados ya que no hay forma de asegurar que todos los especímenes pertenecientes a la gráfica tienen el mismo grado de saturación. 4. El comentario final es que, aun siguiendo la norma ASTM, teniendo la competencia del mejor laboratorista, los equipos nuevos y recién calibrados, y dejando de un lado las variaciones propias del ensayo como proceso estocástico, un mismo suelo puede tener tantos valores de CBR como condiciones de ensayo se tengan. Esta afirmación es lo suficientemente fuerte para provocar una intensa polémica, y la cantidad de información es tal que es necesario tiempo para digerir esta idea poco a poco.

A continuación se presenta un resumen de Las Normas que rigen esta prueba y sus variantes 3.1.- PRUEBA CBR DE ACUERDO A LA NORMA ASTM D 1883. California Bearing Ratio (CBR): Según la norma ASTM D 1883-07, el CBR es un ensayo de carga que usa un pistón metálico, de 0.5 pulgadas cuadradas de área, para penetrar desde la superficie de un suelo compactado en un molde metálico a una velocidad constante de penetración. Se define CBR, el parámetro del ensayo, como la relación entre la carga unitaria en el pistón requerida para penetrar 0.1” (2.54 mm) y 0.2” (5.08 mm) en el suelo ensayado, y la carga unitaria requerida para penetrar la misma cantidad en una piedra picada o triturada bien graduada estándar; esta relación se expresa en porcentaje. Por cada espécimen de suelo se calculan dos valores de CBR, uno a 0.1” (2.54mm) de penetración, y el otro a 0.2” (5.08mm) de penetración. La pregunta de siempre es ¿cuál de los dos es el CBR que se reporta? ASTM dice que el que se reporta es el de 0.1” mientras este sea menor que el de 0.2”. En el caso en el que el valor de CBR para 0.1” fuera mayor que el de 0.2” habría que repetir el ensayo para ese espécimen (La norma en inglés dice «rerun», que traducimos como volver a hacer el ensayo, pero no aclara si hay que volver a fabricar el espécimen o si se puede utilizar la opción de voltearlo y ensayarlo por el otro extremo). El ensayo CBR mide la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas. El ensayo permite obtener un número de la relación de soporte pero, de la aseveración anterior, es evidente que éste número no 4 de 40

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es constante para un suelo dado, sino que se aplica al estado en el cuál se encontraba el suelo durante el ensayo. El número CBR (o simplemente CBR) se obtiene como la relación de la carga unitaria (en lbs/plg²) necesaria para lograr una cierta profundidad de penetración del pistón (con un área de 19.4 cm²) dentro de la muestra compactada de suelo a un contenido de humedad y densidad dadas con respecto a la carga unitaria patrón requerida para obtener la misma profundidad de penetración en una muestra estándar de material triturado y varía de acuerdo a la compactación del suelo su contenido de humedad al compactar y cuando se realiza el ensayo.

Variantes del Ensayo CBR : Según se desprende de la norma ASTM D 1883-84, el ensayo de CBR posee dos variantes, a saber: una llamada “CBR para humedad óptima”, y la otra llamada “CBR para un rango de contenidos de agua”. 3.1.1.- Variante 7.1: CBR bajo contenido óptimo de agua (efecto de la densidad) Esta variante es la más conocida, se refiere a la elaboración de tres especímenes, o probetas, elaboradas con el suelo mezclado a humedad óptima de proctor modificado, y compactado con energías respectivas de, regularmente, 12, 25 y 56 golpes/capa. El CBR de diseño se obtiene realizando una gráfica donde se evalúa el efecto de la densidad en el CBR. Los puntos experimentales son ajustados por una curva en la que, entrando con el 95% de la densidad máxima seca (DMS o peso volumétrico seco máximo) del Proctor Modificado, se obtiene el correspondiente valor de CBR. Esta variante es muy adecuada para suelos que no son 5 de 40

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susceptibles a la hidratación (v.g. arenas y gravas limpias). El valor de 95% fue fijado desde el principio de forma empírica, de uso y costumbre y quedó como «especificación» a pesar de ser una mera recomendación. El CBR para humedad óptima es la variante más popular y es conocida también como «CBR de tres puntos». Consiste en elaborar tres especímenes compactando el suelo con energías de compactación de 12, 25 y 56 golpes por capa. La humedad de mezclado del suelo es la humedad óptima del Proctor Modificado. Para obtener el CBR del suelo se prepara una gráfica con los resultados del ensayo de los tres especímenes poniendo en las abscisas al grado de compactación o la densidad y en las ordenadas al valor de CBR, y se unen los puntos a través de una curva. El CBR del suelo se define como el intercepto correspondiente al grado mínimo de compactación establecido por la especificación del proyecto o agencia solicitante. Aunque ASTM explica que esta variante está destinada a suelos que no son susceptibles al humedecimiento (por ejemplo, suelos granulares limpios), es práctica común utilizarla para todo tipo de suelos (corriendo el riesgo de no evaluar la influencia de la humedad en un suelo susceptible a la humedad).

3.1.2.- Variante 7.2: CBR para un amplio rango de contenidos de agua Esta variante es llamado CBR de 15 puntos, permite evaluar el efecto no sólo del nivel de densificación en el CBR, sino también del contenido de agua pues se sabe 6 de 40

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que ciertos suelos, cuando están secos, presentan resistencias (CBR) más elevadas que cuando están húmedos. Para ensayos en los cuales el resultado se determinará por un rango de contenidos de agua, se prepararán una serie de especímenes a cada una de tres energías de compactación en el rango de contenidos de agua requerido. Las energías de compactación se escogen para producir pesos unitarios encima y abajo del peso unitario deseado. Luego de permitir que los especímenes tomen agua por inmersión, u otro tratamiento especificado como curado, se penetra cada uno. Los resultados se grafican para obtener el CBR de cada espécimen. Se realiza un gráfico de CBR contra peso unitario para cada contenido de agua, a fin de determinar el mínimo CBR para el rango de contenidos de agua requerido. El CBR para un rango de humedad es conocido también como «CBR de 15 puntos» y ASTM lo recomienda para suelos susceptibles a la humedad (suelos cohesivos o todos los suelos no limpios) o en los que se quiera evaluar el efecto de la humedad en la resistencia. ASTM dice que se preparan varios especímenes de suelo compactándolos en un rango de contenidos de agua similares a los que se piensa estará sometido en campo, y a varios niveles de energía de compactación, típicamente 12, 25 y 56 golpes por capa. Aunque antes el procedimiento ASTM proponía un método gráfico para definir el CBR, a partir de la versión 2005 de la norma D 1883 dicho procedimiento fue suprimido luego de la actualización de 2005. Entiendo que deja libre al laboratorista la interpretación. La variante de CBR para un rango de humedad es propicia para elaborar experimentos factoriales e interpretarlos con mapas de resistencia al estilo RAMCODES.

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Grado de Saturación (Sr) La cantidad de agua en el suelo puede expresarse como una fracción del volumen de vacíos; esta fracción se conoce con el nombre de grado de saturación.

3.2.- NORMA CBR SEGÚN SCT (NORMA M-MMP-1-11/08 El procedimiento es similar a de la Norma ASTM D1883 en la variante 1 con 3 especímenes.

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Esta prueba permite determinar la expansión (Exp) originada por saturación de los materiales para terraplén, subyacente y subrasante, así como el Valor Soporte de California (CBR) en especímenes compactados dinámicamente, para verificar que cumplan con lo indicado en las Normas N·CMT·1·01, Materiales para Terraplén, N·CMT·1·02, Materiales para Subyacente y N·CMT·1·03, Materiales para Subrasante, respectivamente. La prueba consiste en compactar dinámicamente tres especímenes del material bajo estudio, con diferentes energías de compactación y un contenido de agua igual al del material en el banco a 1,5 m de profundidad; someter a cada espécimen a un proceso de saturación para obtener su cambio volumétrico, y una vez saturado, introducir en él un pistón de penetración de acero, con el propósito de cuantificar las cargas necesarias para lograr magnitudes de penetración específicas. La expansión (Exp) de cada espécimen es la relación en porcentaje del incremento de su altura debido a la saturación, entre su altura original y la menor relación en porcentaje de las cargas aplicadas para producir penetraciones de 2,54 mm y 5,08 mm, entre las cargas de referencia de 13,34 kN (1 360 kg) y 20,01 kN (2 040 kg) respectivamente, es su correspondiente Valor Soporte de California (CBR). Con los datos obtenidos de los tres especímenes, se estiman la expansión (Exp) y el Valor Soporte de California (CBR) que tendría el material compactado al grado de compactación especificado en la Tabla 1 de las Normas N·CMT·1·01, Materiales para Terraplén, N·CMT·1·02, Materiales para Subyacente y N·CMT·1·03, Materiales para Subrasante, según sea el caso, con el contenido de agua mencionado. Equipo de Carga y otros: Un gato de carga, mecánico o hidráulico, capaz de proveer un desplazamiento constante de 1.27 mm/min y con la capacidad mínima que se indica en la Tabla 1 de este Manual, de acuerdo con el máximo CBR que se espere determinar, provisto con un plato de apoyo donde se colocará el espécimen por probar. Anillos de medición de carga calibrados, con una capacidad acorde al nivel de carga que se indica en la Tabla 1 de este Manual, provistos con un extensómetro de 5 mm de carrera, con graduaciones a cada 0,001 mm y carátula ajustable a ceros. Los anillos con capacidad de 10 y 30 kN (1 020 y 3 060 kg, respectivamente), con aproximación de lectura de 44 N (4,54 kg), han dado buenos resultados. Un pistón de penetración de acero, con sección circular de 49,63 ± 0,13 mm de diámetro y aproximadamente 100 mm de longitud. Un extensómetro para medir la penetración, de 25 mm de carrera mínima, con aproximación de 0,01 mm y carátula ajustable a ceros; provisto de una abrazadera con varillas de extensión y dispositivo 9 de 40

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giratorio, para acoplarlo al pistón de penetración y acomodarlo para apoyar su vástago sobre las paredes de los moldes a que se refiere la Fracción D.3. de este Manual (SCT).

MOLDES: Tres moldes cilíndricos de acero, de 152,4 ± 0,66 mm de diámetro interior y 177,8 ± 0,46 mm de altura, provistos cada uno de un collarín de extensión de 50,8 mm de altura mínima, con el mismo diámetro interior del molde y de una placa de base perforada con al menos 28 orificios de 1,6 mm de diámetro, distribuidos uniformemente, así como de una placa de base sin perforaciones por cada grupo de moldes. Una vez ensamblados, con el disco espaciador al que se refiere la Fracción D.4., los moldes tendrán un volumen de 2 124 ± 25 cm3. Tanto las placas de base como el collarín estarán fabricados de tal manera que se puedan acoplar en cualquier extremo del molde PREPARACIÓN DE LA MUESTRA Una vez determinados el contenido de agua del material para terracerías en el banco a 1.5 m de profundidad (ωb), mediante el procedimiento indicado en el Manual M·MMP·1·04, Contenido de Agua y su masa volumétrica seca máxima (γdMÁX) mediante el procedimiento AASHTO Estándar, conforme se indica en el Manual M·MMP·1·09, Compactación AASHTO, la preparación de la muestra obtenida según se establece en el Manual M·MMP·1·01, Muestreo de Materiales para Terracerías, se hace de la siguiente manera: E.1. De acuerdo con lo indicado en el Manual M·MMP·1·03, Secado, Disgregado y Cuarteo de Muestras, de la muestra seca se obtiene por cuarteos una parte representativa del material, de aproximadamente 21 kg. E.2. En su caso, de la parte de la muestra, obtenida como se indica en la Fracción anterior, se separa mediante cribado manual el material retenido en la malla de ¾" (19 mm), colocando la fracción que pase en una charola y desechando el material retenido. E.3. Se determina la masa, con una aproximación de 1 g, del material obtenido como se indica en la Fracción E.1. y, en su caso, en la Fracción E.2. de este Manual 10 de 40

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y se le incorpora uniformemente la cantidad de agua necesaria para que tenga un contenido de agua igual al del material en el banco a 1,5 m de profundidad ( ωb). El volumen de agua requerido, con aproximación de 0,2 cm3, se determina mediante la siguiente fórmula:

Una vez incorporada el agua, se mezcla cuidadosamente el material hasta homogeneizarlo perfectamente, revolviéndolo hasta disgregar totalmente los grumos que pudieran haberse formado y se separan por cuarteo, en charolas independientes, tres porciones de material del mismo tamaño, que se emplearán para compactar el mismo número de especímenes, cada uno en tres capas, para lo que cada porción se divide a su vez en tres fracciones aproximadamente iguales, que se cubren con un paño húmedo para evitar que pierdan agua. F. PROCEDIMIENTO DE LA PRUEBA F.1. COMPACTACIÓN Con las porciones de material preparadas como se indica en la Cláusula E., se compactan tres especímenes en la forma que se describe a continuación, con las energías de compactación que se indican en la Tabla 2 de este Manual, aplicando el número de golpes por capa con el pisón que corresponda, que se señala en dicha Tabla, según la utilización prevista de material en estudio y del espécimen de que se trate. Se ensambla un molde con su collarín de extensión a la placa de base sin perforaciones, por medio de las abrazaderas y se lubrican con aceite las paredes interiores del molde y del collarín; se inserta el disco espaciador dentro del molde; se coloca un papel filtro sobre el disco para impedir que el material se adhiera a él, y se apoya el conjunto sobre la base cúbica.

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F.1.2. Se coloca en el molde apoyado sobre la base cúbica, una de las fracciones de la porción de material y se compacta con el pisón, aplicando, uniformemente repartidos en la superficie de la capa de material, el número de golpes por capa que corresponda según su utilización prevista y del espécimen de que se trate, de acuerdo con la Tabla 2 de este Manual. Se escarifica ligeramente la superficie de la capa compactada y se repite el procedimiento descrito para las dos fracciones subsecuentes. F.1.3. Terminada la compactación de todas las capas, se retira el collarín de extensión del molde y se verifica que el material no sobresalga del molde en un espesor promedio de 1,5 cm como máximo, de lo contrario la compactación se repite, para lo que se extrae el material del molde, se disgrega, se mezcla cuidadosamente para homogenizarlo y se compacta como se indica en el Inciso anterior, pero disminuyendo ligeramente el tamaño de las fracciones de la porción de material en cada capa, para que no se exceda dicho espesor. Una vez retirado el collarín de extensión, si el material sobresale del molde en no más de un espesor promedio de 15 mm, se enrasa cuidadosamente el espécimen compactado con la regla metálica, depositando en una charola el material excedente, para determinar su contenido de agua de compactación ( ω c0), como se indica en el Manual M·MMP·1·04, Contenido de Agua y verificar que éste corresponda al del material en el banco a 1,5 m de profundidad ( ωb), con una aproximación de ± 0,25%. F.1.5. Se rellenan con material fino las oquedades que pudieran resultar por el enrasado del espécimen compactado; se desprende de la placa de base el molde con 12 de 40

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el espécimen, se retira el disco espaciador y se determina la masa del molde con el espécimen, que se registra como Wmj+ei, en g. F.1.6. Se repite el procedimiento indicado en esta Fracción para las otras dos porciones de material a que se refiere la Fracción E.4. de este Manual. F.2. EXPANSIÓN (Exp) F.2.1. Inmediatamente después de obtenida la masa del molde con el espécimen compactado (Wmj+ei), como se indica en el Inciso F.1.5. de este Manual, se coloca un papel filtro sobre una placa de base perforada; se invierte el molde con el espécimen de tal manera que su fondo sea ahora la parte superior; se coloca un papel filtro en contacto con el espécimen, y se ensambla el molde a la placa de base perforada por medio de las abrazaderas. F.2.2. Se colocan, sobre el espécimen compactado, una placa de expansión con su vástago ajustable y las placas de carga que sean necesarias para producir una sobrecarga equivalente a la de las capas que se construirán sobre la capa del material en estudio, de acuerdo con lo que indique el proyecto o apruebe la Secretaría, pero nunca menor de 44,5 ± 0,2 N (4,54 ± 0,02 kg). Si no se especifican las capas sobreyacientes, la sobrecarga será de 44,5 ± 0,2 N (4,54 ± 0,02 kg). F.2.3. Se introduce cuidadosamente el molde en el tanque de saturación, de manera que se permita el libre flujo de agua tanto en la parte inferior como en la superior del espécimen; se coloca el trípode del dispositivo de medición de expansión sobre el molde, con su extensómetro arriba del vástago de la placa de expansión, el que se ajusta hasta hacer contacto con el vástago del extensómetro y se efectúa una lectura inicial para la determinación de la expansión (Exp), que se registra como h0, en mm, con una aproximación de 0,01 mm y se deja saturar durante 96 h, manteniendo el nivel de agua del tanque aproximadamente a 25 mm sobre la parte superior del molde. Para materiales granulares que presenten un drenaje rápido, el período de saturación podrá ser más corto, pero no menor de 24 h, con la condición de que se demuestre que esto no afecta los resultados de la expansión (Exp). De igual manera, en materiales arcillosos de alta compresibilidad, podrá requerirse un período de saturación mayor de 96 h, en cuyo caso se suspenderá la saturación cuando el extensómetro no muestre movimiento alguno durante 24 h. F.2.4. Al terminar el período de saturación se efectúa la lectura final en el extensómetro, que se registra como hf, en mm, con una aproximación de 0,01 mm.

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F.2.5. Se retira del tanque de saturación el molde con el espécimen, cuidadosamente se elimina el agua de la parte superior del molde de manera que no se altere la superficie del espécimen y se deja drenar durante 15 min. Después de éste período de drenaje se remueven las placas de carga y las placas perforadas, así como las hojas de papel filtro, y se determina la masa del molde con el espécimen, que se registra como Wmj+ef, en g. F.2.6. Se repite el procedimiento indicado en esta Fracción para los otros dos especímenes compactados como se indica en la Fracción F.1. de este Manual. PENETRACIÓN F.3.1. Inmediatamente después de obtenida la masa del molde con el espécimen saturado (Wmj+ef), como se indica en el Inciso F.2.5., se ensambla el molde a la placa de base sin perforaciones por medio de las abrazaderas, en la misma posición que tenía durante el proceso de saturación a que se refiere la Fracción F.2. de este Manual; se coloca sobre el plato de apoyo del equipo de carga; se pone sobre el espécimen una placa de carga anular de 44,5 ± 0,2 N (4,54 ± 0,02 kg); se inserta el pistón de penetración en su orificio central; se aplica una carga inicial de 43 N (4,38 kg) y se colocan las placas ranuradas necesarias para reproducir la sobrecarga utilizada durante la saturación. F.3.2. Sin retirar la carga se ajusta el extensómetro para medir la penetración, previamente acoplado al pistón de penetración, apoyando su vástago sobre la pared del molde y se ponen en ceros tanto su carátula como la del extensómetro del anillo de medición de carga. F.3.3. Se aplica la carga de forma que el pistón de penetración se desplace con una velocidad uniforme de 1,27 mm/min, leyendo y registrando las cargas aplicadas para obtener cada una de las penetraciones indicadas en la Tabla 3 de este Manual, con aproximación de 10 N (1,02 kg). Concluida la penetración del espécimen, éste se saca del molde, se corta longitudinalmente y de su parte central se obtiene una porción representativa para determinar su contenido de agua en estado saturado (ωSat) de acuerdo con el procedimiento indicado en el Manual M·MMP·1·04, Contenido de Agua.

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COMPACTACIÓN Se determinan la masa volumétrica seca (γd) y el contenido de agua de compactación de cada espécimen compactado con el contenido de agua del material en el banco a 1,5 m de profundidad ( ωb), como sigue: Se calcula y reporta la masa volumétrica seca del espécimen (γd) usando la siguiente fórmula:

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VALOR SOPORTE DE CALIFORNIA (CBR) G.3.1. Para cada espécimen penetrado como se indica en la Fracción F.3. de este Manual, se representan gráficamente las cargas determinadas, como se indica a continuación: G.3.1.1. En una gráfica como la que se muestra en la Figura 8, en la que en el eje de las abscisas se indican las penetraciones y en el de las ordenadas las cargas, se marcan los puntos correspondientes a cada una de las determinaciones a las que se refiere el Inciso F.3.3. de este Manual, los que se unen con una línea continua que no presente cambios bruscos de pendiente. Una curva como la “F”, dibujada con línea discontinua en la Figura 8, indicará que la penetración no estuvo bien efectuada, por lo que se desechará el espécimen, siendo necesario repetir su compactación, expansión y penetración, como se indica en la Cláusula F. de este Manual.

G.3.1.2. Se registran las cargas C2,54 y C5,08 correspondientes a las penetraciones de 2,54 y 5,08 mm, con aproximación de 10 N (1,02 kg). Estos valores corresponderán a las cargas con la que se determina el Valor Soporte de California (CBR) del espécimen.

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G.3.1.3. En los casos en que el inicio de la curva presente una concavidad hacia arriba, como la curva “E” que se muestra en la Figura 8, se efectúa una corrección como se ilustra en la Figura 9 de este Manual (SCT), trazando una tangente en el punto de inflexión (PI), hasta cortar el eje de las abscisas en el punto que se designa como O’, el cual se tomará como nuevo origen de las penetraciones y a partir de él se marcan los puntos P2,54 y P5,08 correspondientes a las penetraciones de 2,54 y 5,08 mm, respectivamente; las ordenadas CC2,54 y CC5,08 representan las cargas corregidas para dichas penetraciones, en kN, que se tomarán como las cargas C2,54 y C5,08 correspondientes.

G.3.2. Se repite el procedimiento descrito en el Inciso G.3.1. de este Manual, hasta contar con las determinaciones de las cargas C2,54 y C5,08, aplicadas o corregidas, para cada uno de los tres especímenes compactados.

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G.3.3. Se calculan, con una décima de aproximación, los valores soporte de California a 2,54 y 5,08 mm de penetración de los especímenes compactados, mediante las siguientes expresiones:

G.3.4. Se selecciona como el Valor Soporte de California (CBR) de cada espécimen compactado, al valor que resulte menor entre los CBR 2,54 y CBR5,08 calculados como se indica en el Inciso anterior. G.3.5. En una gráfica como la que se muestra en la Figura 10, en la que en el eje de las abscisas se indican las masas volumétricas secas (γd) y en el de las ordenadas los Valores Soporte de California (CBR), se marcan los puntos correspondientes a cada espécimen compactado, los que se unen con una línea continua que no presente cambios bruscos de pendiente, para obtener la curva “γd – CBR”; se traza una vertical a partir de la masa volumétrica que corresponda al grado de compactación (Gc) especificado en la Tabla 1 de las Normas N·CMT·1·01, Materiales para Terraplén, N·CMT·1·02, Materiales para Subyacente y N·CMT·1·03, Materiales para Subrasante, según sea el caso, respecto a la masa volumétrica seca máxima (γdMÁX) determinada mediante el procedimiento AASHTO Estándar, conforme se indica en el Manual M·MMP·1·09, Compactación AASHTO, y del punto donde dicha vertical corta la curva γ d – CBR, se traza una horizontal que determina el Valor Soporte de California (CBR) del material compactado al grado de compactación especificado, con un contenido de agua igual al del material en el banco a 1,5 m de profundidad ( ωb).

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3.3.- NORMA MEXICANA NMX-C-416-ONNCCE-2003

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5 Pruebas principales NMX-C-416-ONNCCE-2003 Valor relativo de soporte en prueba de Porter estándar Valor relativo de soporte en prueba de Porter modificada Valor relativo de soporte en el lugar Valor relativo de soporte del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos de Norteamérica Pruebas de Placa Para el valor relativo de soporte en prueba Porter (Especímenes elaborados compactando el suelo mediante cargas estáticas mediante Prensa). El método basado en el Cuerpo de Ingenieros, elabora los especímenes de prueba con diferentes humedades y energías de compactación dinámica (con martillo).

Porter estándar: Índice de calidad de los suelos Porter modificada, Método cuerpo de Ingenieros y VRS en el lugar: Proyecto para espesores de pavimento. PORTER ESTANDAR

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PORTER MODIFICADA

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Martillo con altura de caída de 45.7 cm

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Carga inicial de 10 kg para ajustar el extensómetro (registro del desplazamiento vertical)

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VALOR RELATIVO DE SOPORTE MEDIANTE PORTER MODIFICADA

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Variantes de la Porter modificada: 1.- Material que contenga la humedad óptima. Esta variante se aplica al estudio de terracerías con drenaje adecuado, construidas en lugares de precipitación baja o media. 2.- Material con humedad igual o superior a la óptima. Se aplica al estudio de terracerías mal drenadas que se localizan en zonas de precipitación media, o bien, a las de regiones de alta precipitación pluvial. 3.- Material con la humedad natural. En muestras tomadas en el terreno o en la obra, sin variar su humedad. Se efectúa en suelos que no van a presentar cambios apreciables en su contenido de agua.

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METODO DEL CUERPO DE INGENIEROS

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Especímenes compactados dinámicamente (con martillo)

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3.4.- PRUEBA DE PLACA El ensaye de placa de carga solo es valido cuando se tiene la certeza que el material es homogéneo en profundidad, puesto que la misma solo analiza los primeros 0.60 a 0.90 m del terreno aproximadamente (unas tres veces el diámetro de la placa), no obteniéndose información del terreno existente por debajo. Actualmente en el campo de las cimentaciones, uno de los métodos más empleados para calcular los esfuerzos es la modelización como viga flexible, en el cual se supone el terreno como un conjunto infinito de muelles situados bajo una viga deformable, la cimentación. La constante de deformación de cada muelle es Ks (módulo de balasto), valor obtenido del cociente entre la presión de contacto (q) y el desplazamiento (δ). A partir de ensayo de placa de carga realizado sobre el terreno, con unas dimensiones habituales de placa cuadrada de 30x30cm, o bien circular de diámetros 30, 60 y 76,2 cm. En el estudio geotécnico este módulo viene generalmente representado por una K, mientras que el correspondiente subíndice identifica a la placa con que se realizó el ensayo (K30, K60, etc.). El tamaño de la placa influye en la profundidad afectada, por tanto a menor tamaño de placa menor bulbo de presiones y con ello menor profundidad de los estratos estudiados. En el caso de losas la profundidad de influencia de la placa es mucho menor que la de la losa real, cuyo bulbo de presiones está en función de su ancho total, con lo que se puede inducir a errores graves debidos a bajadas de rigidez de estratos inferiores pero activos. En el caso de terrenos rocosos las pruebas realizadas con una placa grande estarán más afectadas por la fisuración que las hechas con placa pequeña. A partir del ensayo de placa de carga, mediante formulación planteada por Terzaghi que contempla las dimensiones del cimiento se puede obtener el módulo de balasto o reacción (k). En general, este método es para zapatas porque en el caso de losas es más complejo y se debe estudiar la rigidez del conjunto de estructuracimentación, aunque es posible adaptarlo para obtener un primer orden de magnitud. El ensayo de placa de carga es lento y necesita un camión como contrapeso (hay que tenerlo en cuenta, porque en algunos sitios no cabe), pero es fácil de hacer y proporciona datos reales, sin ensayos posteriores ni correlaciones intermedias, y eso siempre es bueno. Se puede hallar la tensión admisible del terreno a partir del ensayo de placa de carga, pero no directamente. 34 de 40

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El asiento elástico de un cimiento circular rígido depende de los parámetros elásticos del terreno (E y v) y de la tensión aplicada. Con la placa de carga se tiene el problema contrario, se conocen la tensión aplicada y el asiento producido, y las incógnitas son E y v. Al tratarse de un ensayo tensión-deformación a escala reducida (menor que la cimentación definitiva) sobre el mismo suelo, proporcionará los parámetros de comportamiento del terreno real, pero con las limitaciones del modelo reducido. A partir de esos parámetros se podrá hallar la tensión admisible, siempre y cuando se tengan en cuenta ciertos condicionantes.

Módulo de reacción del suelo: El modulo de reacción (K) de un suelo (en estado natural, subrasante, sub-base o base) , conocido en algunos lugares como coeficiente de balasto, es una característica de resistencia que se considera constante, lo que implica elasticidad del suelo. Su valor numérico depende de la textura, compacidad, humedad y otros factores que afectan la resistencia del suelo. Las pruebas han demostrado que el modulo de reacción de los suelos varia con el área cargada y con la cantidad de 35 de 40

UNIDAD 3 – PAVIMENTOS asentamiento. Por lo anterior, es usual que la determinación de K se haga por medio de una placa circular de 76.2 cm (30¨) de diámetro bajo una presión tal que produzca una deformación del suelo (encrustamiento de la placa) de 0.127 cm (0.5¨), con lo que se tiene.

Otras veces el modulo de reacción K del suelo se define como el correspondiente a la relación de una presión de 0.7 kg/cm2 (10 lb/pulg2) a su deformación correspondiente en centímetros (o en pulgadas).

La capacidad de carga última de una cimentación, así como la capacidad admisible basada en consideraciones de asentamiento tolerable, se determinan efectivamente a partir de la prueba de placa en campo (Prueba D-1194-72, 1997 de la ASTM). Las placas usadas para pruebas en el campo son usualmente de acero y de 25 mm de espesor y de 150 a 762 mm de diámetro, ocasionalmente se usan también placas cuadradas de 305 mm X 305 mm. Para llevar a cabo una prueba de carga de placa, se excava un agujero con un diámetro mínimo de 4B (B = diámetro de la placa de prueba) a una profundidad Df (Df = profundidad de la cimentación propuesta). La placa se coloca en el centro del agujero. La carga se aplica por etapas a la placa, aproximadamente de un cuarto a un quinto de la carga última estimada, por medio de un gato mecánico. Durante 36 de 40

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cada etapa de la aplicación de la carga, el asentamiento de la placa se observa en micrómetros. Por lo menos se deja pasar una hora entre cada etapa de la aplicación de carga. La prueba debe conducirse hasta la falla, o hasta que la placa presente un asentamiento de 25 mm. Se grafica una curva carga-asentamiento obtenida de tales pruebas, con que se determina la carga ultima por área unitaria. Para pruebas en arcilla, qu(F) = qu(P) d|onde qu(F) = capacidad de carga ultima de la cimentación propuesta. qu (P) = capacidad de carga ultima de la placa de prueba.

La ecuación implica que la capacidad de carga última en arcilla es virtualmente independiente del tamaño de la placa. Para pruebas en suelos arenosos,

qu(F) = qu(P) donde BF = ancho de la cimentación BP = ancho de la placa de prueba Algo muy importante con relación al módulo de reacción del suelo cuando este dato vaya a ser empleado para el cálculo de pavimentos de concreto hidráulico es que K tiene más efecto sobre el espesor de las losas para cargas pesadas que para cargas livianas, debido a que a mayor presión se reduce el radio del área circular equivalente al área real dejado por la llanta. Un valor aproximado de K seria, según Braja Das es: 37 de 40

UNIDAD 3 – PAVIMENTOS , kg/cm2; B en cm y Es en kg/cm2 = módulo de elasticidad.

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Capacidad admisible del terreno: Existen varios criterios para evaluar la capacidad admisible del terreno en base a los resultados del ensayo de carga in-situ. El Comité Francés de Mecánica de Suelos indica que el valor de qad es el menor valor entre q03, 2/3 q10 y 1/2 q20, donde los subíndices representan los valores de descarga en milímetros. El valor de qad se toma como la carga correspondiente en la curva esfuerzo-deformación, que es producto de la intersección de una recta paralela a la curva de descarga que pasa por los valores de deformación en milímetros indicados y la curva referida. También existe el criterio de Terzaghi y Peck que indica que la carga admisible de un ensayo de carga es la mitad del esfuerzo, que ocasiona un asentamiento de 1 centímetro en el ensayo de carga o la mitad del esfuerzo en la falla. MANUAL CANADIENSE DE INGENIERIA DE CIMENTACIONES, 4ta EDICION (2006): "En el diseño de una losa de cimentación, los ingenieros estructurales usualmente buscan un valor para el coeficiente (modulo) de reacción o balasto del suelo que lo soporta. (...). A diferencia del esfuerzo y compresibilidad, el módulo de reacción del suelo NO ES UNA PROPIEDAD FUNDAMENTAL DEL SUELO. En su lugar, los ingenieros estructurales utilizan una aproximación muy común en el

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UNIDAD 3 – PAVIMENTOS diseño para modelar la interface entre el suelo de desplante y la base de concreto(interacción suelo-estructura). El MODULO DE REACCION DEL SUELO ES UN NUMERO requerido por los ingenieros estructurales para modelar la deformación y el módulo de rigidez de una cimentación (losa) sobre el suelo. El modulo de reaccion del suelo, segun de su definicion, es un parametro muy dificil de evaluar apropiadamente, por que no es una propiedad fundamental que pueda ser medida de manera directa. Es una variable que depende de varios factores, incluidos el tamaño y forma de la cimentacion (losa), tipo de suelo, rigidez relativa del suelo y de la simentacion, duración de la carga relativa a la conductividad hidráulica del suelo cargado, entre otras. El valor de modulo de reaccionó del subsuelo también puede variar de un punto a otro bajo la cimentacion, (Centro, Borde, Esquina) y puede cambiar con el tiempo, en particular para suelos con una baja conductividad hidráulica como son las arcillas.CANADIAN 'FOUNDATION ENGINEERING MANUAL, 4th EDITION,(2006):"In the design of a raft foundation, structural engineers usually ask for the value of the coefficient (modulus) of sub grade reaction of the supporting soil. (...). Unlike strength and compressibility, the MODULUS OF SUB GRADE REACTION IS NOT A FUNDAMENTAL SOIL PROPERTY. Rather, it is a common design approach used by structural engineers to model the interface between the foundation soil and concrete footing (i.e., soil-structure interaction). The MODULUS OF SUB GRADE REACTION IS A NUMBER required by structural engineers' to model the deformation and stiffness response of a footing (raft) on soil. The modulus of subgrade reaction, though simple in its definition, is a very difficult parameter to evaluate properly because it is not a unique fundamental property that is readily measured. Its value depends on many factors, including size and shape of footing (raft), type of soil, relative stiffness of footing and soil, duration of loading relative to the hydraulic conductivity of the loaded soil, and others. The value of modulus of sub grade reaction can also vary from, one point to another beneath a footing or raft (e.g., centre, edge or comer) and can change with time, in particular for soils with low hydraulic conductivity such as clays."

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