Suelo o Terreno de Fundación

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“ SUEL O O TERRENO DE FUNDACIÓN”

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DIS EÑO MODERNO DE PAV PAVIMEN IMENTOS TOS CONGA QUISPE, Elvis Smith GOMEZ SALVATIERRA, Alcibiades

PORTE PORT E DE L OS ALUMNOS: ALUMNOS:

QUISPE CCAHUIN, Ciro Michel RUMIN ROMERO, Carl os Eduardo

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1.- OBJETIVOS 

Estudiar los los conceptos sobre Suelos Suelos de Fundación Fundación en Pavimentos



Comprender los procesos que se debe seguir seguir para el estudio estudio dde e Suelo Suelo de de Fundación en obras de Pavimento Rígido y Pavimento Flexible.



Saber las Pruebas en Cam Campo po que se deben realizar en un suelo de fundación.



Conocer la capacidad de soporte de la sub-rasante.

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2.- INTRODUCCIÓN En el presente trabajo damos a conocer los conceptos sobre Suelos de Fundación referidos a pavimentos, pavimentos, junto juntoss ccon on los distintos distintos análisis que este comprende com prende,, como son los materiales que se eligen para la fundación de pavimentos, La metodología a seguir para la caracterización del suelo de fundación que comprende básicamente una investigación de campo a lo largo de la vía, mediante la ejecución de pozos exploratorios (calicatas). Las calicatas o catas son una de las técnicas de prospección empleadas para facilitar el reconocimiento geotécnico estudios edafológicos o pedológicos de un terreno. Son excavaciones de profundidad pequeña a media, realizadas normalmente con pala retroexcavadora. Las diferentes pruebas en campo que se realizan en un suelo de fundación son el ensayo de cono dinámico y el ensayo de CBR y la permeabilidad In Situ, También veremos la forma del Muestreo de un Suelo y la Identificación en Campo, y el ensayo en laboratorio necesario para hallar la capacidad de soporte de la sub rasante.

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SUELO O TERRENO DE FUNDACIÓN 3.-DEFINICIÓN: Se denomina suelo de fundación a la capa del suelo bajo la estructura del pavimento, preparada y compactada como fundación para él para el pavimento. Se trata del terreno natural o la última capa del relleno de la plataforma sobre la que se asienta el pavimento.

La caracterización caracteriz ación de los suelos para esta capa c apa de fundación fundación se basa en los siguientes aspectos: 3.1.-METODOLOGÍA La metodología a seguir para la caracterización del suelo de fundación comprende básicamente una investigación de campo a lo largo de la vía, mediante la ejecución de pozos exploratorios (calicatas), con obtención de muestras representativas en número y cantidades suficientes para su posterior análisis en ensayos en laboratorio y, finalmente, con los datos obtenidos en ambas fases se pasa a la fase de gabinete, para consignar en forma gráfica y escrita esc rita los resultados obtenidos. obtenidos. 3.2.-METODO DE EXPLORACION DE CAMPO DEL TERRENO DE FUNDACION En la ejecución de cualquier proyecto u obra de ingeniería civil es necesario realizar la exploración del lugar, como parte de un programa de investigaciones geotecnias, el mismo que involucra aspectos de geología y mecánica de suelos. Del tamaño y tipo del proyecto dependerán de las consideraciones del programa de exploración. Las etapas etapas de explor exp loración ación de campo son: UNIVERSI DAD ALA ALAS S PERUA PERUANAS NAS – INGENIERÍ A CIVIL

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1. Trabajos preliminares de gabinete:  es la recopilación de la información del lugar como mapas, fotografías, estudios anteriores, etc.

2.-Exploracion detallada del sitio y muestreo:  levantamiento estratigráfico y mineralogía de los estratos rocosos y condiciones del subsuelo, mediante la ejecución de pozos de prueba denominados “calicatas” se identifican los estratos que conforman la sub rasante y se mide la densidad natural del estrato más desfavorable. Se debe identificar las condiciones de agua subterránea y toma de muestras para exámenes más detallados y ensayo s de laboratorio.

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3.-Pruebas de laboratorio con las muestras:   Ensayos con muestras alteradas y no alteradas representativas de la estratigrafía. Ensayos estándar con fines de caracterización física de suelos y clasificación, así como ensayos especiales para determinar su capacidad de soporte.

4.- Ensayos en situ: ensayos llevados a cabo en el mismo lugar, ya sea antes o durante el proceso de construcción; controles de compactación de campo, ensayos de penetración ligera con DPL, etc.

5.- Reporte de resultados:  Detalles de estudio geológico, perfiles estratigráficos y mapeo de los resultados de penetración ligera, resultados de las pruebas de laboratorio incluyendo los registros de excavaciones, referencias de las muestras e interpretaciones estratigráficas.

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3.3.-ALCANCE DE LA EXPLORACIÓN DEL SITIO La información generada por la exploración del lugar está relacionada con los depósitos superficiales de rocas y suelos, el objetivo consiste en obtener un modelo tridimensional del lugar, que se extienda tanto lateral como verticalmente, para incluir todos los estratos que pueden llegar a afectarse por las cargas trasmitidas al sub suelo, producidas por la construcción de la vía. Los esfuerzos significativos transmitidos por las cargas del tránsito alcanzan hasta 1.5 m de profundidad. Los ensayos de penetración y calicatas deben efectuarse cada 500 m en caso de carreteras y cada 100 m cuando la vía es urbana. En condiciones uniformes y homogéneas, las calicatas se pueden espaciar a varios kilómetros. En condiciones de variaciones laterales o verticales la separación se reduce, con el objetivo de identificar la zona en la que cambian las condiciones de sitio. La profundidad de exploración está relacionada con la trasmisión de los esfuerzos, el alcance máximo de una calicata o ensayo de penetración ligera es hasta 1.50 m con respecto al nivel de la subrasante. 3.4.- EXCAVACIONES A CIELO ABIERTO (calicatas) Y USO DE POST EADORAS MANUALES. Las calicatas son realizadas en la mayoría de los suelos, la presencia del nivel freático puede ser una de las limitaciones de este tipo de exploración. Tienen la ventaja de que se pueden realizar a mano o con una excavadora mecánica, y de exponer la sucesión de estratos para facilitar su inspección visual. No existen las desventajas para este tipo de exploración. La ejecución de las calicatas requiere un conocimiento de los suelos encontrados la identificación visual es muy importante durante esta etapa. Las muestras pueden tomarse manualmente del fondo y de las paredes laterales de la calicata. Las calicatas permiten extraer muestras inalteradas que serán remoldeadas en el laboratorio, también permite obtener obtener muestras inalteradas que serán protegidas para que no pierdan humedad natural y se puedan realizar realizar ensayos de densidad in situ. En esta puede claramente los estratos UNIVERSI DAD ALAS PERUANAS – INGENIERÍ A CIVIL

imagen se apreciar como varían FIG 1 DIS EÑO MODERNO DE PAVIMENTOS CONGA QUISPE, Elvis Smith GOMEZ SALVATIERRA, Alcibiades

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El barrenador manual, posteadoras de tipo IWAN AUGER es una herramienta manual muy simple que se usa para perforaciones o sondajes en suelos blandos hasta una profundidad de 5 a 6 m. la forma usual es un barrenador de arcilla semicilíndrica de 10 cm. De diámetro, Unido por una seria de varillas de extensión de 1 m a un mango en forma de cruceta que se hace girar manualmente desde la superficie. Las cucharas acopladas en el extremo para extraer muestras tienen diseño especial cuando se trate de suelos puramente cohesivos (arcillas), las posteadoras constituyen un método muy sencillo, económico y rápido de realizar perforaciones en suelos que no contengan presencia de gravas. FIG 2

FIG 1.- En esta imagen se puede apreciar claramente como varían los estratos.

FIG 2.- POSTEADORA de tipo IWAN AUGER.

3.5.- MUESTRAS DE SUELOS, OBTENCIÓN DE MUESTRAS INALTERADAS Y  ALTERADAS Existen dos categorías principales de muestras de suelos: 1) Muestras Inalter adas Se preserva, en la medida de lo posible, la estructura y el contenido de humedad para que representen las condiciones de campo, las muestras inalteradas son necesarias UNIVERSI DAD ALAS PERUANAS – INGENIERÍ A CIVIL

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para ensayos de CBR en suelos finos como por ejemplo las arcillas, arenas limosas o arcillosas. Las muestras inalteradas se extraen con los moldes de CBR y un accesorio de este, que permite cortar el suelo. Se protege y traslada al laboratorio para su inmediato ensayo, el CBR así calculado, estará asociado a la densidad y humedad natural.

Molde de CBR y accesorio

Si el suelo está conformado por arenas y es difícil conseguir una muestra inalterada, se recomienda medir la densidad de campo y tomar una muestra para humedad, de manera que en el laboratorio se remolde los especímenes. 2) Muestr a Alteradas Las muestras alteradas se usan para la identificación del suelo y para pruebas de clasificación y calidad a medida que se recolecten, las muestras se introducen en recipientes de vidrio o plásticos y se sellan, también se pueden usar latas o bolsas de plásticos.

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Se debe tomar una porción de 100 kg aproximadamente para realizar los ensayos de proctor modificado y CBR en muestras remoldeadas al optimo contenido de humedad, para determinar el CBR de diseño para sub rasantes granulares, materiales de sub base y base granulares. 3.6.- IDENTIFICACIÓN VISUAL Y MANUAL DE MUESTRAS DE SUELOS ASTM D2488 Pruebas de Campo para Clasificación La identificación visual, es el reconocimiento preliminar del suelo sin necesidad del empleo de equipos o ensayos de laboratorio, luego, los ensayos de laboratorios confirmaran y permitirán precisar la información obtenida del terreno.

Esta identificación es una etapa inicial para el estudio de mecánica de suelos. Que permite tomar decisiones y ajustar el programa de investigación los términos básicos para designar a los tipos de suelos son grava, arena, limo, arcilla, sin embargo, en la naturaleza los suelos son una mezcla de dos o más de estos y a veces contienen una cantidad de materia orgánica. Sin embargo, es posible identificar el componente predominante y asignarles el término básico por ejemplo, una arena limosa tiene las propiedades de una arena, con una cantidad importante de limo, un limo orgánico está compuesto prioritariamente por limo, pero contiene una cantidad significativa de materia orgánica.

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Se conoce como suelos granulares a las arenas y a las gravas y como suelos finos a las arcillas y limos. Esta distinción se basa en la visibilidad de las partículas individuales. En laboratorio, los suelos finos y gruesos se separan con la malla N 200. 3.6.1.- Identif icación y Descripci ón de suelos finos En comparación a los suelos finos, los suelos granulares son más fáciles de identificar. La angularidad, forma, color, olor, humedad, consistencia, cementación, estructura, tamaño máximo de partículas y dureza, son las principales características de este tipo de suelos. Los suelos finos para su identificación necesitan de algunos ensayos de campo, para poder diferenciar las arcillas de los limos o de las arenas finas. a. reacción a la Agit ación o Dilatancia Una muestra de suelo se amasa formando una bolita, la que debe contener una humedad tal que el agua casi aparezca en la superficie. La muestra preparada se coloca en la palma de la mano y se sacude horizontalmente golpeándola en forma reiterada y fuerte contra la otra mano.

Prueba de Dilatancia

El suelo tiene reacción rápida al sacudimiento cuando la pasta cambia la forma y evidencia una superficie brillante (debido a la expulsión de agua). Cuando el suelo tiene reacción rápida al sacudimiento con unos pocos golpes, se puede asegurar que se trata de un limo. Si la reacción del suelo es muy lenta o no hay reacción se puede concluir que se trata de una arcilla. Para el caso de arenas limpias muy finas la reacción es muy rápida. Reacciones intermedias dejan una interrogante para identificar el suelo y por ello es necesario recurrir a un ensayo de amasado para despejar la interrogante. Sin embargo, en el caso en que el tipo de suelo fino se pueda definir solo con el ensayo de amasado que se enuncia a continuación. b. Ensayo de amasado o de tenacidad UNIVERSI DAD ALAS PERUANAS – INGENIERÍ A CIVIL

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El ensayo de amasado complementa el ensayo de dilatancia. Una pasta de suelo se amasa hasta alcanzar la consistencia de la masilla, luego se forma un bastón de aprox. 3mm. Este proceso se repite hasta que el contenido de humedad se reduce y la muestra adquiere una consistencia dura. El bastón se rompe en varias partes al ser amasado.

Prueba de tenacidad

Cuando más tenaz es el rodillo y cuando más duros son los trozos al desmoronarse, más importante es la fracción arcillosa del suelo. Durante el ensayo se deben observar: 1.

cuando está cerca de las condiciones de ruptura descritas: una arcilla opone mucha resistencia y un limo opone una baja resistencia 2. Plasticidad , el suelo se comporta plásticamente durante el amasado, pero deja de hacerlo una vez que alcanza la humedad que tiene el bastón al romperse. 3. Brillo,  cuando se alcanza la rotura del bastón de suelo se puede unir sus partes al oprimirlas entre si fuertemente con los dedos, se frota con la uña y se observa si la superficie frotada brilla. Las arcillas presentan una superficie brillante que va en aumento según el crecimiento de la plasticidad, es decir, es más brillante si la arcilla es más plástica. Resistencia del suelo al amasado ,

c. Resistencia en estado seco (a la disgr egación) Una muestra de suelo se deja secar expuesta al sol y aire, se mide su resistencia rompiéndola y desmoronándola entre los dedos. La resistencia (en estado seco) aumenta con la plasticidad (presencia de arcilla). Un limo inorgánico posee una resistencia muy ligera. Las arenas finas limosas y los limos tienen baja resistencia. Una arcilla será muy resistente en estado seca, a mayor porcentaje de arcilla en la muestra, mayor será su resistencia.

Resistencia en estado seco

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En la tabla se resumen los ensayos de campo, con resultados visuales y el tipo de suelo al que está relacionado ese comportamiento Identificación de suelos con pruebas manuales

Nº MATERIA

T RMINOS - Anotar nombre (limo, arcilla, orgánico)con adjetivo de los constituyentes secundarios, el tamaño máximo visible y, en 1.- Nombre el caso de que sea superior al tamiz 80mm (3"), anotar el porcentaje estimado de partículas superiores a dicho tamiz (bolones), referido al total del suelo. - Anotar el porcentaje aproximado en peso de grava, arena 2.Distribución de y finos para la fracción desuelo que pasa por el tamiz tamaños 80mm (3"). - Utilizar como máximo dos colores, o bien; anotar 3.- Color presencia de manchas y/o bandas. 4.- Olor - Ninguno térreo u orgánico. 5.- Dilatancia - Ninguna, lenta o rápida. 6.- Resistencia Seca - Muy baja, baja, media, alta o muy alta. 7.- Plasticidad - Ninguna, baja, media o alta. 8.- Humedad Seco, húmedo, mojado o saturado - Blanda, media, firme, muy firme o dura, estimarla basado 9.- Consistencia en la facilidad para penetrar el dedo índice y/o pulgar. - Anotar la estructura dominante; estratificado laminado, 10.- Estructura homogéneo, vesicular, etc. 11.- Cementación - Débil o fuerte. 12.- Origen - Precisar el origen del suelo (fluvial, artificial, etc.) UNIVERSI DAD ALAS PERUANAS – INGENIERÍ A CIVIL

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13.- Materia Orgánica 14.- Símbolo del Grupo 15.- Nombre del Suelo

- Sin indicios, mediana o abundante. - De acuerdo con la nomenclatura - Nombre típico, seguido del nombre local (si lo tiene).

3.6.2.- Identi ficación y Descr ipción de Suelos Granulares. En campo se considera un tamaño de 5 mm. Para separar gravas de arenas. Las gravas pueden separarse en: Gravas gruesas.

Entre 75 mm y 19 mm

Gravas finas.

Entre 19 mm y 5 mm

En laboratorio las arenas pueden separarse en arenas gruesas, medias y finas, según su tamaño. Arenas gruesas.

Entre la malla N 4 (4.76mm) y la malla N 10 (2mm).

Arenas medias.

Entre la malla N 10 y la malla N 40 (0.425mm).

Arenas finas.

Entre la malla N 40 y la malla N 200 (0.075).

En la descripción de un suelo granular se deben incluir ciertas características particulares de importancia, las cuales van a influir en su comportamiento. 1. Suelo predominante (grava arenosa, arena con grava, etc.) 2. Porcentaje estimado de bolones de preferencia y en el pozo de reconocimiento y no en la muestra obtenida. 3. Tamaño máximo de las gravas o bolones en pulgadas. 4. Tamaño de los granos dominantes (para los suelos pobremente graduados, es decir, que no tienen una buena distribución de tamaños, se debe indicar si las arenas son gruesas, medias o finas, al igual que las gravas si son gruesas o finas). 5. Porcentajes de finos. 6. Estado de las partículas (si el material constituyente de los granos no es sano y está en estado de alteración, las partículas pueden romperse entre las manos) Además de estos datos se debe indicar: a. Angularidad Describir la angularidad de la arena (solamente de la fracción gruesa), grava, cantos rodados y boleos como angular, sub angular, sub redondeada. b. Forma Si las partículas tienen forma chata, alargada o chata y alargada. Esta característica es muy importante porque el porcentaje de participación de estas partículas está UNIVERSI DAD ALAS PERUANAS – INGENIERÍ A CIVIL

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limitado según especificaciones. Las partículas chatas y alargadas pueden romperse durante la aplicación de las cargas y modificar la granulometría.

c. Otros Otras características importantes son el color, cementación, dureza y rango de partículas. Nº MATERIA

TÉRMINOS - Anotar nombre (bolones, gravas, arena) con adjetivos de los constituyentes secundarios, el tamaño máximo visible 1.- Nombre y, en el caso de que sea superior al tamiz 80mm (3”), anotar el porcentaje estimado de partículas superiores a dicho tamiz (bolones), referido al total del suelo. - Anotar porcentaje aproximado en peso de grava, arena 2.Distribución de y finos para la fracción de suelo que pasa por el tamiz tamaños 80mm - Utilizar como máximo dos colores, o bien; anotar 3.- Color presencia de manchas y/o bandas. - Bien graduada o pobremente graduada (uniforme); 4.- Graduación anotar para las gravas y arenas el tamaño predominante, con uno de los siguientes adjetivos: media, gruesa o fina. - Anotar plasticidad de la fracción fina (ninguna, baja, 5.- Plasticidad media o alta) 6.- Olor - Ninguno, térreo u orgánico 7.- Forma de partículas - Angular, sub angular, sub redondeado o redondeado 8.- Humedad - Seco, húmedo, mojado o saturado 9.- Compacidad Natural - Densa o suelta - Anotar la estructura dominante; estratificado, laminado, 10.- Estructura homogéneo, vesicular, etc. 11.- Cementación - Débil, fuerte 12.- Origen - Precisar el origen del suelo. 13.- Materia orgánica - Sin indicios, mediana o abundante 14.- Símbolo del Grupo - De acuerdo con la nomenclatura Nombre típico, seguido del nombre local (si lo 15.- Nombre del Suelo tiene)

3.7.- Estratigr afía de los suelos nomenclatura y simbología

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Se debe realizar la descripción de los diferentes estratos que conforman el terreno investigado se detallaran las características físicas, clasificación visual, color, humedad plasticidad de los finos, consistencia o densidad relativa y algunas características particulares como cementación, presencia de troncos, raíces o cualquier material extraño. Se mencionara, además, la profundidad a la que se encuentra el nivel freático, si fuera el caso, indicando la fecha de medición y comentarios sobre su variación en el tiempo. Además, es importante indicar, el resultado de los ensayos de laboratorio obtenidos para los estratos evaluados, de manera que la información se más clara. 3.8.- Registros estratigráficos. Todos los resultados de la evaluación de campo y ensayos de laboratorio se indican en los registros estratigráficos. Los registros estratigráficos se preparan para cada calicata o cada exploración con equipo de penetración. Un ejemplo de registro de calicata con ensayo de penetración ligera se muestra a continuación: Registr o de calicata y sondaje

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4.- SUELOS Después de la exploración e investigación, se desarrollan pautas para identificar las características y la clasificación de los suelos que se utilizaran en la construcción de los pavimentos de las carreteras del Perú. Es muy importante tanto para la determinación de las características del suelo, como para el correcto diseño de la estructura del pavimento. Si la información registrada y las muestras enviadas al laboratorio no son representativas, los resueltos de las pruebas aun con exigencias de precisión, no tendrán mayor sentido para los fines propuestos. UNIVERSI DAD ALAS PERUANAS – INGENIERÍ A CIVIL

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4.1.- CARACTERIZACION DE LA SUBRASANTE Con el objetivo de determinar las características físico-mecánicas de los materiales de la subrasante se llevaran a cabo investigaciones mediante ejecución de pozos exploraciones o calicatas de 1.5 m de profundidad mínima; el número de calicatas por kilómetro, estará de acuerdo al cuadro 4.1.

El número de calicatas indicado en el cuadro 4.1, se aplica para pavimentos nuevo, reconstrucción y mejoramiento. En caso, de estudios de factibilidad o prefactibilidad se efectuará el número de calicatas en el referido cuadro espaciadas cada 2 km en vez de cada km. 4.2.- REGISTROS DE EXCAVACIÓN El número de calicatas indicado en el cuadro 4.2, se aplica para pavimentos nuevo, reconstrucción y mejoramiento.

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4.3.- DESCRIPCIÓN DE LOS SUELOS Los suelos encontrados serán descritos y clasificados de acuerdo a la metodología para construcción de vías, la clasificación se efectuara obligatoriamente por AASHTO Y SUCS, se utilizaran los signos convencionales de los cuadros 4.3 y 4.4:

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QUISPE CCAHUIN, Ciro Michel RUMIN ROMERO, Carlos Eduardo YAULI RIVERA, Marco Antonio

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Las propiedades fundamentales a tomar en cuenta son: a. Granulometría:  Representa la distribución de los tamaños que posee el agregado mediante el tamizado según especificaciones técnicas (Ensayo MTC EM 107). Tiene por finalidad determinar la proporción de sus diferentes elementos constituyentes, clasificados en función de su tamaño.

b. La Plasticidad: Es la propiedad de estabilidad que presenta los suelos hasta cierto límite de humedad sin disgregarse, por tanto la plasticidad de un suelo depende, no de los elementos gruesos que contiende, sino únicamente de sus elementos finos. Los límites de Atteberg establecen cuando sensible es el comportamiento de un en relación con su contenido de humedad (agua), definiéndose los límites correspondientes a los tres estados de consistencia según su humedad y de acuerdo a ello puede presentarse un suelo: líquido, plástico o sólido.

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Estos límites de Atteberg que miden la cohesión del suelo son: el límite líquido (LL, según ensayo MTC EM 110), el límite plástico (LP, según ensayo MTC EM 111) y el límite de contracción (LC, según ensayo MTC EM 112). Limite Líquido (LL), cuando el suelo pasa del estado semilíquido a un estado y puede moldearse. Limite Plástico (LP), cuando el suelo pasa de un estado plástico a un estado semisólido y se rompe. IP = LL – LP El índice de plasticidad indica la magnitud del intervalo de humedades en el cual el suelo posee consistencia plástica y permite clasificar bien un suelo.

c. Equiv alente de arena: Es la proporción relativa del contenido de polvo fino nocivo o material arcilloso en los suelos o agregados finos (ensayo MTC EM 114). El Valor de Equivalente de Arena (EA) es un indicativo de la plasticidad del suelo:

d. Índice de Grupo: Es un índice normado por AASHTO de uso corriente para clasificar suelos. IG = 0.2 (a) + 0.0005 (a*c) + 0.01 (b*d) UNIVERSI DAD ALAS PERUANAS – INGENIERÍ A CIVIL

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Un índice cero significa un suelo muy bueno y un índice ≥ a 20, un suelo no utilizable para caminos.

e. Humedad Natural: Otra característica importante de los suelos es su humedad natural; puesto que la resistencia de los suelos de subrasante, en especial de los finos, se encuentra directamente asociada con las condiciones de humedad y densidad que estos suelos presenten. f. Clasificación de los suelos: Determinadas las características de los suelos, según los acápites anteriores, se podrá estimar con suficiente aproximación el comportamiento de los suelos, especialmente con el conocimiento de la granulometría, plasticidad e índice de grupo; y, luego se clasificar los suelos. A continuación se presenta una correlación de los dos sistemas de clasificación más difundidos, AASHTO y ASTM (SUCS): UNIVERSI DAD ALAS PERUANAS – INGENIERÍ A CIVIL

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g. Ensayos CBR: (ensayo MTC EM 132), una vez que se haya clasificado los suelos por el sistema AASHTO y SUCS, a partir del cual se determinara el programa de ensayos para establecer el CBR que es el valor soporte o resistencia del suelo, que estará referido al 95% de la MDS y a una penetración de carga de 2.54 mm.

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Cuadro 4.11

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h. Ensayo de Modulo Resiliente: Para ejecutar el ensayo de módulo resiliente se utilizara la norma MTC E 128 (AASHTO T274), el Modulo de Resiliencia es una medida de la propiedad elástica de suelos, reconociéndole ciertas características no lineales.

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5.- ENSAYOS DE LABORATORIO Las muestras representativas se remiten al laboratorio para su respectivo ensayo. Los ensayos que generalmente se solicitan para caracterizar el suelo con fines de pavimentación son:

Dentro de los cuales se desarrollaran los siguientes: 5.1.- Ensayos para Clasificación de Suelos: A las muestras representativas de los estratos que conforman la subrasante (hasta una profundidad de 1.50 m), se les realiza el análisis granulométrico por tamizado y límites de consistencia. Estos resultados deben corroborar la identificación visual realizada en campo. Los resultados del análisis granulométrico y los límites de consistencia se reportan gráficamente, como se muestra en la figura 5.1

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Figura 5.1: Análisis granulométr ico por tamizado 5.2.- Contenido de Humedad: Para determinar el contenido de humedad de una muestra de suelo. Se obtiene aproximadamente 200 gr. de muestra que se protegen en un recipiente o una bolsa cerrada. Esta muestra se traslada al laboratorio y se pesa. Se lleva al horno por 24 horas, y luego de este período se vuelve a pesar. El contenido de humedad se reporta en porcentaje como:

5.3.- Ensayo de Densidad Natural: El ensayo de densidad natural, permite conocer la condición natural del terreno de fundación. En suelos granulares será importante si el terreno está compacto o suelto. En terrenos de fundación conformados por subrasantes arenosas y limo arcillosas, este valor permitirá remoldear muestras en el laboratorio a la densidad de campo. Las muestras así remoldeadas, serán ensayadas en la prensa de CBR para determinar el CBR de diseño. Otra aplicación de este ensayo es en los controles de compactación de campo para el caso de la conformación de terraplenes, capas de afirmado, base y sub base. Conociendo la máxima densidad seca y el óptimo contenido de humedad del suelo a compactar, se puede verificar el porcentaje de compactación con este ensayo. UNIVERSI DAD ALAS PERUANAS – INGENIERÍ A CIVIL

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En el mercado hay una diversidad de equipos que permiten medir la densidad natural del suelo y contenido de humedad. Entre ellos se encuentra el método del Cono y la Arena, densímetro nuclear, etc.

5.4.- Conteni do de Sales Solubles (Carbonatos, Cloruros y Sulfatos, etc.): En casos especiales, dependiendo de los condicionantes geológicos de sitio, es importante determinar el contenido de sales solubles que pueden influir en el comportamiento mecánico o impactar en las obras de concreto como son los cloruros y sulfatos. En zonas áridas próximas a la línea de costa es probable encontrar presencia significativa de sales solubles, ya que el mar es una fuente generadora de sales. Existe una regla en el sentido que áreas ubicadas a menos de 5 km. del mar presenta contenido de sales. 5.5.-Ensayo Proctor Modificado, ASTM D 1557: La compactación de suelos constituye un capítulo importantísimo y se halla íntimamente relacionada con la pavimentación de carreteras, vías urbanas y pistas de aterrizaje. El ensayo de compactación mediante el ensayo de proctor modificado, relaciona la humedad del suelo versus su densidad seca, empleando un martillo de 4.54 kg (10 lb) UNIVERSI DAD ALAS PERUANAS – INGENIERÍ A CIVIL

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soltado desde una altura de 457 mm (18 pulg), trasmitiendo una energía de compactación de 56,000 lb-pie/pie 3 ó 2,700 kN-m/m 3. El suelo extraído de campo es compactado en un molde de dimensiones conocidas, con diferentes contenidos de humedad. Para contenidos bajos de humedad el suelo no se compactará adecuadamente, porque no existe la lubricación que permita el acomodo de las partículas. Para altos contenidos de humedad el suelo pierde densidad, porque el agua entre las partículas impide que estas se junten. Solo se tendrá una máxima densidad seca, MDS. La humedad a la que la muestra alcanza su máxima densidad seca, se denomina óptimo contenido de humedad. Los resultados de este ensayo son graficados como se muestra en la figura 5.2. Los resultados de la figura 2.2 indican que el suelo ensayado alcanza su máxima densidad seca, MDS, a 2.176 gr/cm3 y el contenido de agua asociado a esta densidad, OCH, es 7.88% En suelos granulares densos, la densidad de campo es muy cercana a la MDS del proctor modificado; sin embargo, en suelos finos como las arenas y arcillas limosas, la densidad de campo, generalmente, es mucho menor que la MDS. La Humedad Natural de Suelos Arenosos y Limo-Arcillosos muchas veces alcanzan valores muy por encima del O.C.H. y la Densidad Natural presenta valores mucho menores al Ensayo Proctor Modificado. En Conclusión, el terreno de fundación no alcanzará y/o estará lejos de la Densidad Equivalente al 95% ó 100% de la MDS, criterio que se asume como regla general. Figur a 5.3.

Figura 5.2: Curv a de compactación del proctor modificado UNIVERSI DAD ALAS PERUANAS – INGENIERÍ A CIVIL

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Figur a 5.3: Cur va Densidad Seca –Humedad. Av. La Paz Cdra. 10 San Miguel – Lima

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5.6.- ENSAYO DE DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE EN MUESTRAS COMPACTADAS: California Bearing Ratio (C.B.R.) ORIGEN Este método 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 América, el método CBR se ha generalizado y es una forma de clasificación de un suelo para ser utilizado como subrasante o material de base en la construcción de carreteras. Durante la segunda guerra mundial, el cuerpo de ingenieros de los Estados Unidos adoptó este ensayo para utilizarlo en la construcción de aeropuertos 5.6.1.- DEFINICIÓN DE CBR El CBR de un suelo es la carga unitaria correspondiente a 0.1” ó 0.2” de penetración, expresada en por ciento en su respectivo valor estándar. También se dice que mide la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controlada. El ensayo permite obtener un número de la relación 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 suel o gener ado por el pistón de 19.4 cm2 en el Ensayo C.B.R. La condición de fr ontera es un pro blema.

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Equipo empleado para las pruebas de compactación e hinchamiento

El equipo CBR para realizar, el tamizado, humedecimiento, la mezcla de suelo y la compactación. Los métodos de diseño de pavimentos relacionan el valor de la capacidad de soporte del suelo o CBR con el módulo resiliente del material. El módulo resiliente es el parámetro que se utiliza en el diseño del pavimento.

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El módulo resiliente se obtiene de ensayos triaxiales mediante ciclos de carga y descarga; sin embargo, AASHTO 2002 presenta una ecuación que permite correlacionar el valor del módulo resiliente con el del CBR. De aquí la importancia de evaluar adecuadamente el CBR del material. El ensayo de "California Bearing Ratio" o CBR, es un ensayo relativamente simple, comúnmente usado para obtener un índice de la resistencia del suelo de subrasante, material de base, sub base o afirmado. Para materiales de base, sub base y afirmado, así como subrasantes granulares, el CBR puede estar asociado a la máxima densidad seca del Próctor modificado; sin embargo, para subrasantes finas (subrasantes arenosas, arcillosas o limosas) el valor del CBR debe estar asociado a su densidad de campo. Investigaciones han demostrado que el CBR de suelos finos en muestras compactadas al OCH y MDS, arrojan valores de CBR muy por encima de su valor real. Tranquilamente una arcilla compactada al OCH y MDS puede tener un CBR de 15%, pero ensayada en su condición natural el CBR puede ser menor a 2 o 3%. El comportamiento de la subrasante es función de la humedad y densidad, asociado a las condiciones ambientales del sitio. En suelos de baja capacidad de soporte donde los valores de humedad alcanzan la condición saturada y los valores de densidad de campo están muy por debajo de la densidad de compactación, los valores de los módulos elásticos realmente son muy bajos. Se proponen tres métodos para determinar el valor de CBR: 5.6.2.- ENSAYO DE DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD SOPORTE “ IN SITU” (MEDICIÓN DIRECTA DEL VALOR C.B.R. EN EL CAMPO) CBR in situ, mide directamente la deformación ante una carga aplicada.

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5.6.3.- ENSAYOS PARA DETERMINACIÓN DEL VALOR C.B.R. EN MUESTRAS INALTERADAS (ALTERNATIVAS) CBR en muestras inalteradas, es un método recomendado para subrasantes de suelos finos. Consiste en obtener una muestra inalterada de campo, que será protegida para que no pierda su humedad natural (si no fuese posible obtener una muestra inalterada de campo, se puede preparar especímenes en laboratorio a la humedad y densidad natural). En el laboratorio se realiza el ensayo de penetración en su condición natural y saturada, siguiendo el mismo procedimiento que en muestras remoldeadas. 5.6.4.- ENSAYOS PARA DETERMINACIÓN DEL VALOR C.B.R. EN MUESTRAS REMOLDEADAS CBR en muestras remoldeadas, método recomendado para subrasantes granulares, materiales de base, sub base y afirmado. Los especímenes pueden ensayarse en su condición natural o saturada, luego de un período de inmersión en agua, la condición saturada es la más desfavorable. El CBR es la relación (expresada en porcentaje) entre la resistencia a la penetración requerida para que un pistón de 3 pulg2 de área penetre 0.1 pulg dentro de un suelo entre 1000 PSI que es la resistencia a la penetración de una muestra patrón. La muestra patrón es una piedra chancada. El CBR se expresa como: UNIVERSI DAD ALAS PERUANAS – INGENIERÍ A CIVIL

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En ocasiones, el CBR calculado para una penetración de 0.2 pulg. Con su correspondiente resistencia a la penetración estándar de 1500 PSI, puede ser mayor que el obtenido para una penetración de 0.1 pulg. Cuando esto ocurre, se debe realizar un nuevo ensayo, si los resultados son similares, el valor del CBR para 0.2 pulg de penetración, se reporta como el CBR representativo de la muestra. 5.6.5.- DEFINICIÓN DE NÚMERO CB R El número CBR (o simplemente CBR), se obtiene de la relación de la carga unitaria (lbs/pulg2.) necesaria para lograr una cierta profundidad de penetración del pistón de penetración (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 (lbs/pulg2.) requerida para obtener la misma profundidad de penetración en una muestra estándar de material triturado. Los ensayos de CBR se hacen usualmente sobre muestras compactadas al contenido de humedad óptimo para un suelo específico, determinado utilizando el ensayo de compactación estándar o modificada del experimento.

Peso martillo (lb) Diám. molde (pulg) No. de capas No. golpes/capa

PROCTOR EST NDAR ASTM D 698 A B 5.5 5.5 4 4 3 3 25 25

C 5.5 6 3 56

Peso martillo (lb) Diám. molde (pulg) No. de capas No. golpes/capa

PROCTOR MODIFICADO ASTM D 1557 A B 10 10 4 4 5 5 25 25

C 10 4 5 56

Peso martillo (lb) Diám. molde (pulg) No. de capas No. golpes/capa

CBR - ASTM D 4429- 93  A B 6 6 10 10 5 5 10 25

C 6 10 5 56

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El método CBR comprende los 3 ensayos siguientes: -

Determinación de la densidad y humedad. Determinación de las propiedades expansivas del material. Determinación de la resistencia a la penetración.

El comportamiento de los suelos varía de acuerdo a su grado de alteración (inalterado y alterado) y a su granulometría y características físicas (granulares, finos, poco plásticos). El método a seguir para determinar el CBR será diferente en cada caso. Determinación del CBR de suelos perturbados y remoldados: -

Gravas y arenas sin cohesión. Suelos cohesivos, poco plásticos y poco o nada expansivo. Suelos cohesivos y expansivos. Determinación del CBR de suelos inalterados. Determinación del CBR in situ.

Determinación del CBR de Suelos Remoldados ASTM D 1883 Equipo Para la Compactación - Molde de diám.= 6”, altura de 7” a 8” y un collarín de 2”. - Disco espaciador de acero diám. 5 15/16” y alt. 2.5” - Pisón Peso 10 lb. y altura de caída 18”. - Trípode y extensómetro con aprox. 0.001” - Pesas de plomo anular de 5 lbs c/u (2 pesas). Para la Prueba de Penetr ación - Pistón sección circular Diám. = 2 pulg. - Aparato para aplicar la carga: Prensa hidráulica. V= 0.05 pulg/min. Con anillo calibrado. - Equipo misceláneo: balanza, horno, tamices, papel filtro, tanques para inmersión de muestra a saturar, cronómetro, extensómetros, etc.

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Fig. 2. Equipo empleado para las prue bas de compactación e hinchamiento

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

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Preparación del material -

Secar el material al aire o calentándolo a 60 C. Desmenuzar los terrones existentes y tener cuidado de no romper las partículas individuales de la muestra. La muestra deberá tamizarse por la malla ¾“y la No. 4. La fracción retenida en el tamiz ¾” deberá descartarse y reemplazarse en igual proporción por el material comprendido entre los tamices ¾” y No. 4. Luego se mezcla bien. Se determina el contenido de humedad de la muestra así preparada.

Cantidad de material Para cada determinación de densidad (un punto de la curva de compactación), se necesitan 5 k de material. Para la curva con 6 puntos se necesitará 30 k de material. 1. Determinación de la densidad y humedad - Preparar una muestra que tenga la misma densidad y humedad que se proyecta alcanzar en el sitio donde se construirá el pavimento. Procedimiento: - En el molde cilíndrico se coloca el disco espaciador y papel filtro grueso 6”. - La muestra se humedece añadiendo una cantidad de agua calculada. Se mezcla uniformemente. La humedad entre dos muestras debe variar en 2%. - La muestra se divide en 5 partes. Se compacta en 5 capas con 10, 25 y 56 golpes / capa. La briqueta compactada deberá tener un espesor de 5”. - Se quita el collarín, se enrasa la parte superior del molde, se volteará el molde y se quitará la base del molde perforada y el disco espaciador. - Se pesará el molde con la muestra, se determinará la densidad y la humedad de la muestra. Humedad de mezclado Es un factor importante en suelos finos y debe controlarse debidamente. El contenido de humedad de la muestra amasada que se va a compactar, deberá ser igual al correspondiente a la densidad que se desea obtener, se ha comprobado que si esta humedad de mezclado varía en ±0.5% de la que se desea obtener, los CBR variarán apreciablemente aun cuando se obtenga una densidad aproximadamente igual a la densidad deseada. 2. Determinación de la expansión del material -

Determinada la densidad y humedad se coloca el papel filtro sobre la superficie enrasada, un plato metálico perforado y se volteará el molde. Sobre la superficie libre de la muestra se colocará papel filtro y se montará el plato con el vástago graduable. Luego sobre el plato se colocará varias pesas de plomo. La sobrecarga mínima será de 10 lbs.

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Colocado el vástago y las pesas, se colocará el molde dentro de un tanque o depósito lleno con agua. Se monta el trípode con un extensómetro y se toma una lectura inicial y se tomará cada 24 horas. 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 orgánicos y algunos suelos cohesivos tienen expansiones muy grandes generalmente mayor del 10% Los especímenes son saturados por 96 horas, con una sobrecarga igual peso del pavimento que se utilizará en el campo pero en ningún caso será menor que 4.50 k. Es necesario durante este periodo tomar registros de expansión cada 24 horas y al final de la saturación tomar el porcentaje de expansión que es:

Las especificaciones establecen que los materiales de préstamo para: Sub base deben tener expansiones menores de 2% Base deben tener expansiones menores 1% Como dato informativo observar el hinchamiento versus el CBR: Suelo con hinchamiento 3% o más, generalmente tienen Suelo con hinchamiento 2% como máximo tienen Suelos con hinchamiento < 1% tienen generalmente

CBR < 9 % CBR ‡ 15% CBR > 30%.

3. Determinación de la resistencia a la penetración Si no es necesario sumergir la muestra en agua, se colocará sobre ella la pesa anular y se montarán las pesas de plomo, de tal modo que se obtenga una sobrecarga semejante a la del pavimento a construirse. Pasar a c) y d). -

-

Si la muestra ha sido sumergida en agua para medir su expansión, y después que haya sido drenada, se colocará la pesa anular y encima de las pesas de plomo que tenía la muestra cuando estaba sumergida en agua; o sea que la sobrecarga para la prueba de penetración deberá ser prácticamente igual a la sobrecarga que tenía durante el ensayo de hinchamiento. El molde con la muestra y la sobrecarga, se coloca debajo de la prensa y se asienta el pistón sobre la muestra, aplicando una carga de 10 lb. Una vez asentado el pistón, se coloca en cero el extensómetro que mide la penetración y el dial del extensómetro también se coloca en cero.

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Se hinca el pistón 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 pistón 0.50 pulgada. Una vez hincado el pistón hasta 0.50 pulgada, se suelta la carga lentamente; se retira el molde de la prensa y se quitan las pesas y la base metálica perforada. Finalmente se determina el contenido de humedad de la muestra. Para el control de campo, bastará 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 está instalada, el anillo y su dial de deformaciones, el dial para medir las deformaciones y el pistón de 19.4 cm2 de área transversal.

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

Foto 4. La muestr a instalada, las columnas del marco, el pist ón y el dial de deformaciones.

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Foto 5. La manizuela del equipo para corr er el ensayo.

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Foto 6. El extractor de la muestra de los moldes. La palanca del gato y el marco del equipo. 5.6.6.- Cálculo del CBR 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. 3. Si la curva esfuerzo - penetración que se obtiene es semejante a la del ensayo No. 1 de la Fig. 3, 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”.}

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Fig. 3. Curvas que r elacionan la hinca del pistó n con las presiones aplicadas.

CBR = El número CBR es un porcentaje de la carga unitaria patrón. Para determinar el CBR se toma como material de comparación la piedra triturada que sería el 100%, es decir CBR = 100%. 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.

Fig. 5. Curvas esfuerzo – penetración para diferente s tipos de suelos.

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