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Universidad Nacional de Ingeniería
                               FIC – CISMID


                                  C.B.R.
                  (California Bearing Ratio)


Ing. Luis Chang Chang
Laboratorio Geotécnico
Centro Peruano Japonés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres (CISMID)
Indice
1.- Origen
2.- Definición de CBR
3.- Definición de Número de CBR
4.- Determinación de CBR para suelos remoldados
    4.1 Equipo
    4.2 Preparación del material
    4.3 Determinación de la densidad y humedad
    4.4 Determinación de la expansión del material
    4.5 Determinación de la resistencia a la penetración
5- Cálculo del CBR
  1A Suelos gravosos y arenosos
  2B Suelos cohesivos, plásticos, poco o nada expansivos.
  3C Suelos cohesivos, plásticos y expansivos
6.- Valores referenciales, usos y suelos.
1.- 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 sub-
rasante 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.
2.- 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 suelo
generado por el pistón de 19.4 cm2 en el Ensayo
C.B.R. La condición de frontera es un problema.
3.-Definición             de         número             CBR

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
modificado            del           experimento.
Proctor Estándar ASTM    D 698
                    A       B         C
Peso martillo (lb) 5.5    5.5        5.5
Diám. molde (pulg) 4       4          6
No. de capas        3      3           3
No. golpes/capa    25     25          56

      Proctor Modificado ASTM     D 1557
                   A       B          C
Peso martillo (lb) 10     10         10
Diám. molde (pulg) 4       4          6
No. de capas        5      5          5
No. golpes/capa    25     25          56
CBR - ASTM D 4429- 93
Diám. del molde (pulg.)           6
Martillo (lb.)                    10
No. de capas                      5
No. golpes / capa         10      25   56
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.
A. Determinación del CBR de suelos perturbados y
   remoldados:
1. Gravas y arenas sin cohesión.
2. Suelos cohesivos, poco plásticos y poco o nada
   expansivo.
3. Suelos cohesivos y expansivos.

B. Determinación del CBR de suelos inalterados.

C. Determinación del CBR in situ.
4.0 Determinación del CBR de Suelos
Remoldados ASTM D 1883
4.1 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 Penetración
- 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.
Fig. 2. Equipo empleado para las pruebas de compactación e
hinchamiento.
Foto 1. El equipo CBR para realizar, el tamizado,
humedecimiento, la mezcla de suelo y la compactación.
4.2 Preparación del material
a) Secar el material al aire o calentándolo a 60o C.
b) Desmenuzar los terrones existentes y tener cuidado de no
romper las partículas individuales de la muestra.
c) 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.
d) 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.
Cada muestra se utiliza una sola vez.
4.3 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:

a) En el molde cilíndrico se coloca el disco espaciador y papel filtro grueso 6”.

b) La muestra se humedece añadiendo una cantidad de agua calculada. Se
mezcla uniformemente. La humedad entre dos muestras debe variar en 2%.

c) La muestra se divide en 5 partes. Se compacta en 5 capas con 10, 25 y 56
golpes / capa. La briqueta compactada deberá tener un espesor de 5”.

d) 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.

e) Se pesará el molde con la muestra, se determinará la densidad y la humedad
de la muestra.
Humedad de mezclado
Es un factor importane 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 aún cuando se obtenga una densidad
aproximadamente igual a la densidad                     deseada.
4.4 Determinación de la expansión del material

a)Determinada la densidad y humedad se coloca el papel filtro sobre la
    superficie enrasada, un plato metálico perforado y se volteará el molde.
b) 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.
c) Colocado el vástago y las pesas, se colocará el molde dentro de un tanque
    o depósito lleno con agua.
d) Se monta el trípode con un extensómetro y se toma una lectura inicial y se
     tomará cada 24 horas.
e) Al cabo de las 96 horas o antes si el material es arenoso se anota la lectura
   final para calcular el hinchamiento. Se calcula el % de hinchamiento que es
   la lectura final menos la lectura inicial dividido entre la altura inicial de
   la muestra multiplicado por 100.

 Los adobes, suelos orgánicos y algunos suelos cohesivos tienen expansiones
 muy grandes generalmente mayor del 10%.
Fig. 3. Disposición de las diferentes piezas, durante la
ejecución de los ensayos de hinchamiento y penetración.
Los especimenes 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:



                     Expansión        
    E (%)=                             x100
                 Altura de la muestra 
Las especificaciones establecen que los materiales de préstamo para:

Sub base deben tener expansiones menores de 2%
Base      “            “          “        1%

Como dato informativo observar el hinchamiento versus el CBR:

Suelo con hinchamiento 3% o mas, generalmente tienen         CBR < 9 %
Suelo con hinchamiento 2% como máximo tienen                 CBR ≥ 15%
Suelos con hinchamiento < 1% tienen generalmente             CBR > 30%.

Drenaje

Después de saturada la muestra, se saca del cilindro y
cuidadosamente se drena durante 15 minutos el agua libre que
queda. Como para drenar bien el agua es necesario voltear el
cilindro sujétese bien el disco y las pesas metálicas al hacer
esta operación. Luego remuévase el disco, las pesas y el papel
filtro, pésese la muestra.
4.5 Determinación de la resistencia a la penetración

a) 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).

b) 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.

c) 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 lbs.

d) 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.
e) 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.

f) 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.

g) 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.
Foto 3. El marco de carga, el anillo y el dial
de deformaciones.
Foto 4. La muestra instalada, las columnas del marco,
el pistón y el dial de deformaciones.
Foto 5. La manijuela del equipo para correr el ensayo.
Foto 6. El extractor de la muestra de los moldes. La palanca
del gato y el marco del equipo.
5.- 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. 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”.
Fig. 4. Curvas que relacionan la hinca
del pistón con las presiones aplicadas.
 C arg a unitaria del ensayo 
       CBR = 
              C arg a unitariapatrón  x 100 (%)
                                           
                                          
CBR = El número CBR es un porcentaje de la carga unitaria patrón.

En la práctica, el símbolo de % se quita y la relación se presenta simplemente
por el número entero.

Para determinar el CBR se toma como material de comparación la piedra
triturada que sería el 100%, es decir CBR = 100%. La resistencia a la
penetración que presenta a la hinca del pistón es la siguiente:

                                     Penetración       Carga Unitaria Patrón
        mm          pulg                 Mpa                Psi       k/cm2
        2.5         0.10                  6.9              1,000          70
        5.0        0.20                   0.3              1,500        105
        7.5         0.30                 13.0              1,900        133
       10.0        0.40                  16.0              2,300        161
       12.7        0.50                  18.0              2,600        182
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 diferentes
tipos de suelos.
1A. Suelos gravosos y arenosos

Estos suelos en la clasificación unificada, corresponden a los siguientes grupos:
GW, GP, SW y SP.

- Son suelos generalmente de Ip < 2 y de compactación rápida en el campo.

- En general el CBR casi no vería apreciablemente con los cambios de humedad.

- El CBR se puede determinar sin saturar la muestra.

- El CBR que se adopte podrá ser el que corresponde a su máxima densidad
  o sise sigue un criterio mas conservador, el menor de los CBR obtenidos.

- El CBR de estos suelos granulares es generalmente mayor de 20%.
1B Suelos cohesivos, plásticos, poco o nada expansivos

Estos suelos son los mas comunes y pertenecen a la siguiente clasificación
unificada: GM, GC, SM, SC, CL, ML, OL.
A
- Se aplica a condiciones climatéricas normales y a aquellos suelos cuyo
  CBR no varíe apreciablemente con el contenido de humedad.

- No requiere estricto control de la humedad cuando se compacta en el
  campo.
B
- Se aplica a condiciones climatéricas desfavorable y a aquellos suelos que
  son muy sensibles a cambios de humedad.

- Se requiere un mayor control de la humedad en el campo.
Procedimiento I

A) Se determinará una curva compactación a 56 golpes.

B) Se preparan 3 muestras (56, 25, 10) a humedad óptima ± 0.5%.

C) Cada muestra se satura y se anota la expansión.

D) Después de las 96 horas se corre el ensayo.

E) El CBR de diseño será aquel correspondiente a la densidad que
  se especifique.
Fig. 6. Determinación del CBR para suelos poco “sensibles” a
cambios pequeños de humedad (Procedimiento I).
Procedimiento II

A) Se recomienda realizar 3 curvas de compactación cada una de ellas a
  56, 25, 10 golpes/capa.

B) Se saturan por 96 horas, se determina el hinchamiento y se drena.

C) Se determina el CBR de cada muestra.

D) Las curvas correspondientes a los contenidos de humedad, densidades
 y valores corregidos de los CBR se representan como en la Fig 7.

E) En la Fig. 8A, se determina la zona densidad humedad, de acuerdo a la
 clase de obra y a las normas a seguirse.

F) El CBR de diseño se seleccionará de las curvas CBR - Densidad, CBR
 Humedad, representadas en las Fig 8B, y 8C.

G) Generalmente la densidad que se selecciona para determinar el CBR
 es la correspondiente al 95% de la MDS.
Fig. 7. Relación entre el esfuerzo de compactación por unidad de
volumen y la densidad máxima.
Fig. 8. Familia de curvas que relacionan los CBR “corregidos”
con los contenidos de humedad y densidades.
1C Suelos cohesivos, plásticos y expansivos

Estos suelos pertenecen a la clasificación unificada: MH, CH y OH.
- El método que se sigue es semejante al Procedimiento II.
- Seleccionar cuidadosamente las humedades y densidades.
- No siempre la humedad óptima y la densidad máxima es la mas adecuada.
- Muchas veces el hinchamiento de estos suelos es menor cuando se compacta a
  densidades y con humedades distintas a la densidad máxima y humedad óptima.
- El CBR a usar es aquel en que el suelo presente menor hinchamiento.
- Para facilitar la selección del CBR de diseño, es recomendable es recomendable
  representar gráficamente los % de hinchamiento vs. Los contenido de humedad
  en los diferentes estados de compactación.
- La comparación de las curvas que relacionan los hinchamientos, CBR y
  densidades con las humedades de compactación permitirá establecer los
  límites de humedad y densidad apropiados, facilitando así la selección del CBR
  de diseño.
6.- Valores referenciales de CBR, usos
 y suelos.
                                                  Sistema de clasificación
No.       Clasificación         Usos          Unificado        AASHTO
CBR       general
 0–3      Muy pobre             Sub rasante   OH,CH,MH,OL      A5, A6,A7

 3–7      Muy pobre a regular   Sub rasante   OH,CH,MH,OL      A4,A5,A6,A7

7 – 20    Regular               Sub base      OL,CL,ML,SC,S    A2,A4,A6,A7
                                              M,SP
20 - 50   Bueno                 Sub base y    GM,GC,SW,SM,     A-1b,A2-5, A-3,
                                base          SP,GP            A2-6
 > 50     Excelente             Base          GW, GM           A1a,A2-4,A-3
ENSAYO DE LA RELACION DE SOPORTE DE CALIFORNIA - C. B. R.
                                       (ASTM - D1883)

INFORME Nº            :   LG01-159
SOLICITANTE           :   MTC - PRT - PERT
PROYECTO              :   Evaluación de la Carretera Corral Quemado - Río Nieva
UBICACION             :   Dpto. Amazonas
FECHA                 :   Enero, 2002

Progresiva (km)       : 306 + 000                                       Profundidad (m)        : 1.30
Tipo de capa          : Suelo Natural                                   Clasific. (SUCS)       : CL

ENSAYO PRELIMINAR : PROCTOR MODIFICADO ( ASTM - D1557 A )
Humedad          (%)      6.6              8.6                                     10.7                   12.4
Densidad Seca (g/cm³)    1.989            2.061                                    2.061                 1.991

ETAPA DE COMPACTACION
Identificación del molde            Molde I                        Molde II                        Molde III
Número de capas                        5                              5                               5
Golpes por capa                       13                             27                              56
Humedad inicial       (% )            9.7                           9.7                              9.7
Humedad final         (% )           19.0                           17.3                            15.6
Densidad seca      (g/cm³)           1.89                           1.99                            2.07

ETAPA DE EXPANSION
      TIEMPO                        Molde I                        Molde II                        Molde III
       ( min )                       (%)                            (%)                             (%)
        5330                         4.05                           3.12                            2.79

ETAPA DE APLICACIÓN DE PRESIÓN
      Penetración           Molde I                                 Molde II                       Molde III
  ( mm )      ( pulg )     (lb/pulg²)                              (lb/pulg²)                      (lb/pulg²)
   0.00        0.000           0.0                                     0.0                             0.0
   0.64        0.025          18.9                                    28.3                             44.0
   1.27        0.050          33.0                                    55.0                             69.2
   1.91        0.075          47.2                                    86.5                             97.5
   2.54        0.100          62.9                                    111.6                           125.8
   3.81        0.150          80.2                                    149.3                           172.9
   5.08        0.200          95.9                                    188.6                           216.9
   6.35        0.250          113.2                                   224.8                           259.4
   7.62        0.300          132.0                                   254.7                           301.8
  10.16        0.400          169.8                                   301.8                           385.1
  12.70        0.500          204.4                                   345.8                           465.3

ETAPA DE CORRECCIÓN DE LA PRESION
Identificación del molde         Molde I                           Molde II                        Molde III
Penetración         (Pulg)  0.1          0.2                0.1                  0.2        0.1                  0.2
Presión          (lb/pulg²) 62.9         95.9              111.6                188.6      125.8                216.9
C.B.R.                (%)   6.3          6.4                11.2                 12.6       12.6                 14.5
INFORME Nº                          : LG01-159                                                                                                    Progresiva (km)           : 306 + 000
SOLICITANTE                         :   MTC - PRT - PERT                                                                                          Tipo de capa              :   Suelo Natural
PROYECTO                            :   Evaluación de la Carretera Corral Quemado - Río Nieva                                                     Profundidad (m)           :   1.30
UBICACION                           :   Dpto. Amazonas                                                                                            Clasific. (SUCS)          :   CL
FECHA                               :   Enero, 2002                                                                                               Ensayo preliminar         :   Proctor Modificado

                                                CURVA DE PENETRACION                                                                       CURVA CORREGIDA DE PENETRACION
                      500




                                                                                                                           500
                                  M olde I : 13 Golpes
                                                                                                                                       M olde I : 13 Golpes
                                  M olde II : 27 Golpes                                                                                M olde II : 27 Golpes
                                  M olde III : 56 Golpes                                                                               M olde III : 56 Golpes
                      400




                                                                                                                           400
 Presión (lb/pulg²)
                      300




                                                                                                      Presión (lb/pulg²)
                                                                                                                           300
                      200




                                                                                                                           200
                                                                                                                           100
                      100




                                                                                                                           0
                      0




                            0.0          0.1          0.2           0.3           0.4           0.5                              0.0        0.1            0.2           0.3              0.4        0.5
                                                     Penetración (pulg.)                                                                                  Penetración (pulg.)
INFORME Nº                              :   LG01-159                                                                                                               Progresiva (km)              :   306 + 000
SOLICITANTE                             :   MTC - PRT - PERT                                                                                                       Tipo de capa                 :   Suelo Natural
PROYECTO                                :   Evaluación de la Carretera Corral Quemado - Río Nieva                                                                  Profundidad (m)              :   1.30
UBICACION                               :   Dpto. Amazonas                                                                                                         Clasific. (SUCS)             :   CL
FECHA                                   :   Enero, 2002                                                                                                            Ensayo preliminar            :   Proctor Modificado

                                                    CURVA DE COMPACTACION                                                                                         CURVA DE C.B.R.
                         2.08                                                                                                      2.08
                                       RESULTADOS                                    M. D. S .                                                     RESULTADOS
                                    O. C. H. = 9.7 %                                                                                          C. B. R. (95%) = 10.4 %                                   M olde III
                         2.07       M. D. S. = 2.073 g/cm³                                                                         2.06
                                                                                                                                              C. B. R. (98%) =   12.1 %

                         2.06                                                                                                      2.04        98 % M .D.S.

                         2.05                                        O. C. H.                                                      2.02




                                                                                                           Densidad Seca (g/cm³)
 Densidad Seca (g/cm³)




                         2.04                                                                                                      2.00
                                                                                                                                                                          M olde II
                         2.03                                                                                                      1.98
                                                                                                                                              95 % M .D.S.

                         2.02                                                                                                      1.96

                         2.01                                                                                                      1.94

                         2.00                                                                                                      1.92

                         1.99                                                                                                      1.90                                                                      0.1 Pulg.

                                                                                                                                                 M olde I                                                    0.2 Pulg.
                         1.98                                                                                                      1.88
                                6           7        8         9                10          11   12   13
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                                                         Humedad (%)
                                                                                                                                                                            C.B.R. (%)
Bibliografía
- Bowles, Joseph E. (1981), “Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil” . Mc Graw-Hill Book
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- Das, Braja M. (2001), “Fundamentos de Ingeniería Geotécnica”, Thomson Learning.

- Das, Braja M. (2001), “Principios de Ingeniería de Cimentaciones”, International Thomson Editores.

- Head, K. H. (1980), “Manual of Soil Laboratory Testing”, Volume 1, 2. Pentech Press London: Plymouth.

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- McCarthy, David F. (1988), “Essentials of soil Mechanics and Foundations: Basic Geotechnics”, Prentice Hall,
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- Universidad Nacional de Ingeniería – FIC ( ), “Laboratorio de Mecánica de Suelos”.

- Valle Rodas, Raúl (1982), “Carreteras, Calles y Aeropistas”, El Ateneo.

- Vivar Romero, Germán (1990-1991), “Diseño y Construcción de Pavimentos”, Ediciones CIP.

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  • 1. Universidad Nacional de Ingeniería FIC – CISMID C.B.R. (California Bearing Ratio) Ing. Luis Chang Chang Laboratorio Geotécnico Centro Peruano Japonés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres (CISMID)
  • 2. Indice 1.- Origen 2.- Definición de CBR 3.- Definición de Número de CBR 4.- Determinación de CBR para suelos remoldados 4.1 Equipo 4.2 Preparación del material 4.3 Determinación de la densidad y humedad 4.4 Determinación de la expansión del material 4.5 Determinación de la resistencia a la penetración 5- Cálculo del CBR 1A Suelos gravosos y arenosos 2B Suelos cohesivos, plásticos, poco o nada expansivos. 3C Suelos cohesivos, plásticos y expansivos 6.- Valores referenciales, usos y suelos.
  • 3. 1.- 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 sub- rasante 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.
  • 4. 2.- 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.
  • 5. Fig 1. El asumido mecanismo de falla del suelo generado por el pistón de 19.4 cm2 en el Ensayo C.B.R. La condición de frontera es un problema.
  • 6. 3.-Definición de número CBR 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.
  • 7. 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 modificado del experimento.
  • 8. Proctor Estándar ASTM D 698 A B C Peso martillo (lb) 5.5 5.5 5.5 Diám. molde (pulg) 4 4 6 No. de capas 3 3 3 No. golpes/capa 25 25 56 Proctor Modificado ASTM D 1557 A B C Peso martillo (lb) 10 10 10 Diám. molde (pulg) 4 4 6 No. de capas 5 5 5 No. golpes/capa 25 25 56
  • 9. CBR - ASTM D 4429- 93 Diám. del molde (pulg.) 6 Martillo (lb.) 10 No. de capas 5 No. golpes / capa 10 25 56
  • 10. 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.
  • 11. 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.
  • 12. A. Determinación del CBR de suelos perturbados y remoldados: 1. Gravas y arenas sin cohesión. 2. Suelos cohesivos, poco plásticos y poco o nada expansivo. 3. Suelos cohesivos y expansivos. B. Determinación del CBR de suelos inalterados. C. Determinación del CBR in situ.
  • 13. 4.0 Determinación del CBR de Suelos Remoldados ASTM D 1883 4.1 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 Penetración - 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.
  • 14. Fig. 2. Equipo empleado para las pruebas de compactación e hinchamiento.
  • 15. Foto 1. El equipo CBR para realizar, el tamizado, humedecimiento, la mezcla de suelo y la compactación.
  • 16. 4.2 Preparación del material a) Secar el material al aire o calentándolo a 60o C. b) Desmenuzar los terrones existentes y tener cuidado de no romper las partículas individuales de la muestra. c) 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. d) 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. Cada muestra se utiliza una sola vez.
  • 17. 4.3 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: a) En el molde cilíndrico se coloca el disco espaciador y papel filtro grueso 6”. b) La muestra se humedece añadiendo una cantidad de agua calculada. Se mezcla uniformemente. La humedad entre dos muestras debe variar en 2%. c) La muestra se divide en 5 partes. Se compacta en 5 capas con 10, 25 y 56 golpes / capa. La briqueta compactada deberá tener un espesor de 5”. d) 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. e) Se pesará el molde con la muestra, se determinará la densidad y la humedad de la muestra.
  • 18. Humedad de mezclado Es un factor importane 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 aún cuando se obtenga una densidad aproximadamente igual a la densidad deseada.
  • 19. 4.4 Determinación de la expansión del material a)Determinada la densidad y humedad se coloca el papel filtro sobre la superficie enrasada, un plato metálico perforado y se volteará el molde. b) 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. c) Colocado el vástago y las pesas, se colocará el molde dentro de un tanque o depósito lleno con agua. d) Se monta el trípode con un extensómetro y se toma una lectura inicial y se tomará cada 24 horas. e) Al cabo de las 96 horas o antes si el material es arenoso se anota la lectura final para calcular el hinchamiento. Se calcula el % de hinchamiento que es la lectura final menos la lectura inicial dividido entre la altura inicial de la muestra multiplicado por 100. Los adobes, suelos orgánicos y algunos suelos cohesivos tienen expansiones muy grandes generalmente mayor del 10%.
  • 20. Fig. 3. Disposición de las diferentes piezas, durante la ejecución de los ensayos de hinchamiento y penetración.
  • 21. Los especimenes 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:  Expansión  E (%)=   x100  Altura de la muestra 
  • 22. Las especificaciones establecen que los materiales de préstamo para: Sub base deben tener expansiones menores de 2% Base “ “ “ 1% Como dato informativo observar el hinchamiento versus el CBR: Suelo con hinchamiento 3% o mas, generalmente tienen CBR < 9 % Suelo con hinchamiento 2% como máximo tienen CBR ≥ 15% Suelos con hinchamiento < 1% tienen generalmente CBR > 30%. Drenaje Después de saturada la muestra, se saca del cilindro y cuidadosamente se drena durante 15 minutos el agua libre que queda. Como para drenar bien el agua es necesario voltear el cilindro sujétese bien el disco y las pesas metálicas al hacer esta operación. Luego remuévase el disco, las pesas y el papel filtro, pésese la muestra.
  • 23. 4.5 Determinación de la resistencia a la penetración a) 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). b) 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. c) 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 lbs. d) 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.
  • 24. e) 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. f) 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. g) 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).
  • 25. 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.
  • 26. Foto 3. El marco de carga, el anillo y el dial de deformaciones.
  • 27. Foto 4. La muestra instalada, las columnas del marco, el pistón y el dial de deformaciones.
  • 28. Foto 5. La manijuela del equipo para correr el ensayo.
  • 29. Foto 6. El extractor de la muestra de los moldes. La palanca del gato y el marco del equipo.
  • 30. 5.- 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. 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”.
  • 31. Fig. 4. Curvas que relacionan la hinca del pistón con las presiones aplicadas.
  • 32.  C arg a unitaria del ensayo  CBR =   C arg a unitariapatrón  x 100 (%)    CBR = El número CBR es un porcentaje de la carga unitaria patrón. En la práctica, el símbolo de % se quita y la relación se presenta simplemente por el número entero. Para determinar el CBR se toma como material de comparación la piedra triturada que sería el 100%, es decir CBR = 100%. La resistencia a la penetración que presenta a la hinca del pistón es la siguiente: Penetración Carga Unitaria Patrón mm pulg Mpa Psi k/cm2 2.5 0.10 6.9 1,000 70 5.0 0.20 0.3 1,500 105 7.5 0.30 13.0 1,900 133 10.0 0.40 16.0 2,300 161 12.7 0.50 18.0 2,600 182
  • 33. 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.
  • 34. Fig. 5. Curvas esfuerzo – penetración para diferentes tipos de suelos.
  • 35. 1A. Suelos gravosos y arenosos Estos suelos en la clasificación unificada, corresponden a los siguientes grupos: GW, GP, SW y SP. - Son suelos generalmente de Ip < 2 y de compactación rápida en el campo. - En general el CBR casi no vería apreciablemente con los cambios de humedad. - El CBR se puede determinar sin saturar la muestra. - El CBR que se adopte podrá ser el que corresponde a su máxima densidad o sise sigue un criterio mas conservador, el menor de los CBR obtenidos. - El CBR de estos suelos granulares es generalmente mayor de 20%.
  • 36. 1B Suelos cohesivos, plásticos, poco o nada expansivos Estos suelos son los mas comunes y pertenecen a la siguiente clasificación unificada: GM, GC, SM, SC, CL, ML, OL. A - Se aplica a condiciones climatéricas normales y a aquellos suelos cuyo CBR no varíe apreciablemente con el contenido de humedad. - No requiere estricto control de la humedad cuando se compacta en el campo. B - Se aplica a condiciones climatéricas desfavorable y a aquellos suelos que son muy sensibles a cambios de humedad. - Se requiere un mayor control de la humedad en el campo.
  • 37. Procedimiento I A) Se determinará una curva compactación a 56 golpes. B) Se preparan 3 muestras (56, 25, 10) a humedad óptima ± 0.5%. C) Cada muestra se satura y se anota la expansión. D) Después de las 96 horas se corre el ensayo. E) El CBR de diseño será aquel correspondiente a la densidad que se especifique.
  • 38. Fig. 6. Determinación del CBR para suelos poco “sensibles” a cambios pequeños de humedad (Procedimiento I).
  • 39. Procedimiento II A) Se recomienda realizar 3 curvas de compactación cada una de ellas a 56, 25, 10 golpes/capa. B) Se saturan por 96 horas, se determina el hinchamiento y se drena. C) Se determina el CBR de cada muestra. D) Las curvas correspondientes a los contenidos de humedad, densidades y valores corregidos de los CBR se representan como en la Fig 7. E) En la Fig. 8A, se determina la zona densidad humedad, de acuerdo a la clase de obra y a las normas a seguirse. F) El CBR de diseño se seleccionará de las curvas CBR - Densidad, CBR Humedad, representadas en las Fig 8B, y 8C. G) Generalmente la densidad que se selecciona para determinar el CBR es la correspondiente al 95% de la MDS.
  • 40. Fig. 7. Relación entre el esfuerzo de compactación por unidad de volumen y la densidad máxima.
  • 41. Fig. 8. Familia de curvas que relacionan los CBR “corregidos” con los contenidos de humedad y densidades.
  • 42. 1C Suelos cohesivos, plásticos y expansivos Estos suelos pertenecen a la clasificación unificada: MH, CH y OH. - El método que se sigue es semejante al Procedimiento II. - Seleccionar cuidadosamente las humedades y densidades. - No siempre la humedad óptima y la densidad máxima es la mas adecuada. - Muchas veces el hinchamiento de estos suelos es menor cuando se compacta a densidades y con humedades distintas a la densidad máxima y humedad óptima. - El CBR a usar es aquel en que el suelo presente menor hinchamiento. - Para facilitar la selección del CBR de diseño, es recomendable es recomendable representar gráficamente los % de hinchamiento vs. Los contenido de humedad en los diferentes estados de compactación. - La comparación de las curvas que relacionan los hinchamientos, CBR y densidades con las humedades de compactación permitirá establecer los límites de humedad y densidad apropiados, facilitando así la selección del CBR de diseño.
  • 43. 6.- Valores referenciales de CBR, usos y suelos. Sistema de clasificación No. Clasificación Usos Unificado AASHTO CBR general 0–3 Muy pobre Sub rasante OH,CH,MH,OL A5, A6,A7 3–7 Muy pobre a regular Sub rasante OH,CH,MH,OL A4,A5,A6,A7 7 – 20 Regular Sub base OL,CL,ML,SC,S A2,A4,A6,A7 M,SP 20 - 50 Bueno Sub base y GM,GC,SW,SM, A-1b,A2-5, A-3, base SP,GP A2-6 > 50 Excelente Base GW, GM A1a,A2-4,A-3
  • 44. ENSAYO DE LA RELACION DE SOPORTE DE CALIFORNIA - C. B. R. (ASTM - D1883) INFORME Nº : LG01-159 SOLICITANTE : MTC - PRT - PERT PROYECTO : Evaluación de la Carretera Corral Quemado - Río Nieva UBICACION : Dpto. Amazonas FECHA : Enero, 2002 Progresiva (km) : 306 + 000 Profundidad (m) : 1.30 Tipo de capa : Suelo Natural Clasific. (SUCS) : CL ENSAYO PRELIMINAR : PROCTOR MODIFICADO ( ASTM - D1557 A ) Humedad (%) 6.6 8.6 10.7 12.4 Densidad Seca (g/cm³) 1.989 2.061 2.061 1.991 ETAPA DE COMPACTACION Identificación del molde Molde I Molde II Molde III Número de capas 5 5 5 Golpes por capa 13 27 56 Humedad inicial (% ) 9.7 9.7 9.7 Humedad final (% ) 19.0 17.3 15.6 Densidad seca (g/cm³) 1.89 1.99 2.07 ETAPA DE EXPANSION TIEMPO Molde I Molde II Molde III ( min ) (%) (%) (%) 5330 4.05 3.12 2.79 ETAPA DE APLICACIÓN DE PRESIÓN Penetración Molde I Molde II Molde III ( mm ) ( pulg ) (lb/pulg²) (lb/pulg²) (lb/pulg²) 0.00 0.000 0.0 0.0 0.0 0.64 0.025 18.9 28.3 44.0 1.27 0.050 33.0 55.0 69.2 1.91 0.075 47.2 86.5 97.5 2.54 0.100 62.9 111.6 125.8 3.81 0.150 80.2 149.3 172.9 5.08 0.200 95.9 188.6 216.9 6.35 0.250 113.2 224.8 259.4 7.62 0.300 132.0 254.7 301.8 10.16 0.400 169.8 301.8 385.1 12.70 0.500 204.4 345.8 465.3 ETAPA DE CORRECCIÓN DE LA PRESION Identificación del molde Molde I Molde II Molde III Penetración (Pulg) 0.1 0.2 0.1 0.2 0.1 0.2 Presión (lb/pulg²) 62.9 95.9 111.6 188.6 125.8 216.9 C.B.R. (%) 6.3 6.4 11.2 12.6 12.6 14.5
  • 45. INFORME Nº : LG01-159 Progresiva (km) : 306 + 000 SOLICITANTE : MTC - PRT - PERT Tipo de capa : Suelo Natural PROYECTO : Evaluación de la Carretera Corral Quemado - Río Nieva Profundidad (m) : 1.30 UBICACION : Dpto. Amazonas Clasific. (SUCS) : CL FECHA : Enero, 2002 Ensayo preliminar : Proctor Modificado CURVA DE PENETRACION CURVA CORREGIDA DE PENETRACION 500 500 M olde I : 13 Golpes M olde I : 13 Golpes M olde II : 27 Golpes M olde II : 27 Golpes M olde III : 56 Golpes M olde III : 56 Golpes 400 400 Presión (lb/pulg²) 300 Presión (lb/pulg²) 300 200 200 100 100 0 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Penetración (pulg.) Penetración (pulg.)
  • 46. INFORME Nº : LG01-159 Progresiva (km) : 306 + 000 SOLICITANTE : MTC - PRT - PERT Tipo de capa : Suelo Natural PROYECTO : Evaluación de la Carretera Corral Quemado - Río Nieva Profundidad (m) : 1.30 UBICACION : Dpto. Amazonas Clasific. (SUCS) : CL FECHA : Enero, 2002 Ensayo preliminar : Proctor Modificado CURVA DE COMPACTACION CURVA DE C.B.R. 2.08 2.08 RESULTADOS M. D. S . RESULTADOS O. C. H. = 9.7 % C. B. R. (95%) = 10.4 % M olde III 2.07 M. D. S. = 2.073 g/cm³ 2.06 C. B. R. (98%) = 12.1 % 2.06 2.04 98 % M .D.S. 2.05 O. C. H. 2.02 Densidad Seca (g/cm³) Densidad Seca (g/cm³) 2.04 2.00 M olde II 2.03 1.98 95 % M .D.S. 2.02 1.96 2.01 1.94 2.00 1.92 1.99 1.90 0.1 Pulg. M olde I 0.2 Pulg. 1.98 1.88 6 7 8 9 10 11 12 13 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Humedad (%) C.B.R. (%)
  • 47. Bibliografía - Bowles, Joseph E. (1981), “Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil” . Mc Graw-Hill Book Company. - Bowles, Joseph E. (1984), “Physical and Geotechnical Properties of Soils”. McGraw-Hill Book Company. - Das, Braja M. (2001), “Fundamentos de Ingeniería Geotécnica”, Thomson Learning. - Das, Braja M. (2001), “Principios de Ingeniería de Cimentaciones”, International Thomson Editores. - Head, K. H. (1980), “Manual of Soil Laboratory Testing”, Volume 1, 2. Pentech Press London: Plymouth. - JICA – TIATC (1988), Irrigation and Drainage Course, “Soil Test” - Lambe, T. W. (1951), “Soil Testing for Engineers”, John Wiley and Son, New York. - McCarthy, David F. (1988), “Essentials of soil Mechanics and Foundations: Basic Geotechnics”, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey 07632. - Universidad Nacional de Ingeniería – FIC ( ), “Laboratorio de Mecánica de Suelos”. - Valle Rodas, Raúl (1982), “Carreteras, Calles y Aeropistas”, El Ateneo. - Vivar Romero, Germán (1990-1991), “Diseño y Construcción de Pavimentos”, Ediciones CIP.