Ensayo CBR


Si necesitas realizar una construcción, es muy probable que te hayas preguntado qué se puede hacer para saber si el terreno es de buena calidad y si va a ser resistente.¿Cómo puedes comprobarlo? Uno de los procedimientos que puedes realizar es el Ensayo CBR. ¿No sabes qué es? Quédate y descubrelo.

¿Qué es el Ensayo CBR?

El Ensayo CBR, siglas de California Bearing Ratio (Ensayo de Relación de Soporte de California) mide la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo y sirve para evaluar la calidad del terreno para cualquier subrasante, subbase o base de pavimentos.

¿Quieres saber cómo se realiza? ¿No sabes qué material necesitas? Entonces continúa leyendo.

¿Para qué sirve el Ensayo CBR?

El Ensayo CBR consiste en determinar la carga a aplicar sobre un pistón circular para introducirlo en una muestra de suelo a una velocidad de 1,27 mm/min hasta conseguir una profundidad determinada.

El Ensayo CBR fue desarrollado por el Departamento de Transportes de California antes de la Segunda Guerra Mundial. Actualmente en España se rige por la norma UNE 103502, correspondiente a la norma estadounidense ASTM 1883.2.

Este ensayo es uno de los parámetros necesarios para realizar una construcción y que es obtenido en los estudios geotécnicos previos a la construcción, como también lo son el Ensayo Proctor y los análisis granulométricos del terreno.

La realización del ensayo resulta totalmente necesario siempre que se quiera conocer la capacidad portante de un terreno natural, o de bases de zahorra natural o artificial, ya que el resultado condiciona el tipo de firme que se vaya a adoptar según el tipo de tráfico o uso que tendrá el pavimento. Si quieres saber un poco más acerca del Ensayo CBR, te recomendamos ver el siguiente vídeo.

Tipos de CBR

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

  • CBR suelos inalterados.
  • CBR suelos remoldeados.
  • CBR suelos gravosos y arenosos.
  • CBR suelos cohesivos poco o nada plásticos.
  • CBR suelos cohesivos plásticos.

¿Cómo se realiza el ensayo CBR?

El Ensayo CBR se puede realizar de dos maneras. La primera de ellas consiste en realizar el ensayo en el mismo terreno que se quiere ensayar, denominado “in situ”. La segunda consiste en extraer una muestra del suelo compactado que se quiera ensayar y realizarlo en un laboratorio.

CBR in situ

El primer paso para realizar el ensayo es preparar la superficie sobre la que se va a realizar, retirando el material que no va a ser de utilidad. El área de ensayo debe ser uniforme y horizontal y el espacio entre ensayos debe ser como mínimo de 175 mm en suelos plásticos y 380 mm en suelos granulares gruesos con el objetivo de que el ensayo en un punto no altere el ensayo del siguiente.

Teniendo ya la superficie preparada, se ha de ubicar el vehículo de tal forma que el dispositivo de reacción quede sobre el punto que se va a ensayar. Se instala un gato eléctrico debajo del dispositivo de reacción y los gatos del camión se colocan a cada lado del vehículo.

Se debe comprobar que el gato esté situado en la posición correcta y conectar el anillo de carga a este. Con los gatos ya preparados, se conecta el adaptador del pistón al extremo inferior del anillo y se añade el número requerido de extensiones hasta completar una altura inferior a 125 mm sobre la superficie del ensayo.

Se conecta el pistón de penetración y se coloca la platina de sobrecarga de 4,5 kg debajo del pistón para que este pase por el agujero central al bajar.

Se establece el pistón con una carga de 21 kPa y se añade a la platina un número determinado de pesos de sobrecarga para que transmita una presión equivalente a la intensidad de carga producida por las capas de pavimento que se pondrán sobre la subrasante. Se fija el soporte del dial de penetración al pistón y se sujeta el dial a dicho soporte. Los diales deben estar a 0.

Con todo preparado, se aplica la carga al pistón de penetración para obtener una velocidad de penetración de 1,3 mm por minuto. Se registran las lecturas del anillo de carga para cada 0,64 mm de incremento de penetración hasta alcanzar los 12,7mm.

Una vez realizado el ensayo se obtiene una muestra en el punto de penetración y se determina su humedad. Además, se calcula el esfuerzo de penetración para cada incremento de penetración dividiendo la fuerza entre el área del pistón. Con estos datos se dibuja la curva de esfuerzo contra penetración.

CBR en laboratorio

Los valores de la relación de soporte se obtienen a partir de muestras de ensayo que tengan el mismo peso unitario y el mismo contenido de agua que se espera hallar en el terreno. El método original del Cuerpo de Ingenieros de EUA establece el ensayo de las muestras después de que estas estén sumergidas en agua durante cuatro días en un molde con sobrecarga igual al peso del pavimento que cubriría el subrasante.

Si más del 75% de la muestra pasa por el tamiz de 19,1 mm, el material que pasa se utiliza para el ensayo. Cuando la muestra retenida en el tamiz sea superior al 25%, esta se separa y se sustituye por una proporción igual de material obtenido tamizando otra porción de la muestra.

De esta muestra preparada se toma la cantidad requerida para el ensayo de apisonada, con un añadido de 5 kg por cada molde CBR. Se determina la humedad óptima y la densidad máxima por medio del ensayo de compactación elegido.

Se compacta un número determinado de muestras con variación en el contenido de agua, con el objetivo de establecer la humedad óptima y el máximo peso unitario. Además, dichas muestras se preparan con energías de compactación diferentes. Habitualmente se utiliza la energía establecida mediante el Ensayo Proctor Normal, el Ensayo Proctor Modificado y una energía inferior al Proctor Normal. Así se pueden estudiar las variaciones de la relación de soporte con estos dos factores y graficar los resultados en un diagrama de contenido de agua contra peso unitario.

Mediante secado en estufa se determina la humedad natural del suelo y se añade la cantidad de agua que falte para alcanzar la humedad establecida para el ensayo.

Se pesa el molde con su base, se coloca el collar, el disco espaciador y un disco de papel de filtro grueso. Una vez colocado, se compacta utilizando en cada molde la proporción de agua y energía necesarias para que quede con la humedad y densidad deseadas. Se suelen usar tres o nueve moldes por cada muestra según la clase de suelo granular o cohesivo. En suelos granulares se realizan 55, 26 y 12 golpes por capa. Las curvas se desarrollan para 55, 26 y 12 golpes por capa con el objetivo de obtener varias curvas que permitan ver la relación entre el peso específico, humedad y relación de capacidad de soporte.

Si se va a realizar inmersión, se toma una muestra entre 100 y 500 g antes y después de la compactación, se mezclan y se determina la humedad del suelo. Si no se va a realizar inmersión, la muestra se toma del centro de la probeta después de hacer la compactación y la penetración.

Después de la compactación se retira el collar y se enrasa la muestra con un enrasador o un cuchillo con hoja resistente. Se desmonta el molde y se vuelve a montar invertido, sin disco espaciador y con un papel de filtro entre el molde y la base.

Sobre la muestra invertida se coloca la placa perforada con vástago y los anillos necesarios para completar una sobrecarga que provoque una presión equivalente a la producida por las capas de materiales que vayan a ir sobre el suelo que se ensaya. La carga no puede ser inferior a 4.54 kg.

La primera lectura se toma para medir el hinchamiento colocando el trípode de medida con las patas sobre los bordes del molde y coincidiendo el vástago del deformímetro con el de la placa perforada.

Se sumerge el molde con la sobrecarga en el tanque dejando acceso en la parte inferior y en la superior para que entre el agua. Se mantiene en el tanque durante 4 días con el nivel de agua constante.

Después de esos cuatro días se lee el deformímetro para medir el hinchamiento. Se saca el molde del tanque y se deja escurrir el molde durante 15 minutos. Después de esos 15 minutos se retira la sobrecarga y la placa. Se pesa y se procede al ensayo de penetración.

En el ensayo de penetración se vuelve a aplicar una sobrecarga que produzca una intensidad similar al peso del pavimento. Se mete la muestra en una prensa y en el orificio central de la sobrecarga se coloca el pistón de penetración. Si se ha realizado la inmersión, se añade el resto de sobrecarga que se haya usado en esta.

Se coloca el dial medidor para poder medir la penetración del pistón y se aplica una carga de 50 N para que el pistón asiente. Las agujas de los diales medidores, del anillo dinamométrico, de control de penetración y de cualquier otro dispositivo que se utilice para medir la carga, deben situarse en cero.

Mediante la prensa se aplica la carga sobre el pistón de penetración con una velocidad de 1,27 mm por minuto y se anotan las lecturas de la carga para 0,63; 1,27; 1,9; 2,54; 3,17; 3,81; 5,08; 7,62 mm. Por último se desmonta el molde y se toma una muestra de la zona próxima a la penetración realizada para determinar su humedad.

Una vez hecho el ensayo, se procede a realizar una serie de cálculos:

  • Humedad de compactación

Es el porcentaje de agua que hay que añadir a la muestra para que alcance la humedad requerida. Se calcula con la siguiente ecuación:

% de agua a añadir = [ (H-h) / (100+h) ] x 100

Donde H es la humedad requerida y h es la humedad natural de la muestra.

  • Densidad

Se calcula a través del peso del suelo antes de la inmersión y su humedad.

  • Agua absorbida

La cantidad de agua absorbida se obtiene de la diferencia entre la humedad antes y después de la inmersión.

  • Presión de penetración

Se calcula la presión aplicada por el pistón de penetración y se dibuja una curva con la que se obtienen las presiones de penetración a partir de los datos del ensayo.

  • Expansión

Se calcula por la diferencia entre las lecturas del deformímetro antes y después de la inmersión. Se expresa en tanto por ciento respecto a la altura del molde.

¿Qué es el Índice CBR?

El Índice CBR es el valor obtenido en el Ensayo CBR e indica la relación entre la carga necesaria para que el pistón penetre en el suelo hasta una cierta profundidad, y la carga correspondiente a esa misma penetración en una muestra.

Es normalmente utilizado para medir la capacidad de carga de los suelos y así ver si tiene la capacidad adecuada para ciertas construcciones, aunque también se puede utilizar para caminos rurales.

Una tierra cultivada puede tener un Índice CBR de 3, un suelo arcilloso un índice de 4,75, un suelo arenoso un índice de 10, y las rocas un índice superior a 80. No es extraño que un suelo bien compactado posea valores por encima de 100.

¿Cómo se calcula el Índice CBR?

Para calcular el Índice CBR primero se ha de dibujar una curva que relacione las presiones y las penetraciones y hay que observar si esa curva tiene un punto de inflexión. Si no tiene punto de inflexión, se toman los valores correspondientes a 2,54 y 5,08 mm de penetración. Si tiene punto de inflexión, la tangente en ese punto cortará con el eje de abscisas en otro punto, el cual se tomará como nuevo origen para la determinación de las presiones correspondientes a 2,54 y 5,08 mm.

De la curva corregida, se toman los valores antes mencionados y se calculan los valores de relación de soporte correspondientes, dividiendo los esfuerzos corregidos por los esfuerzos de referencia 6,9 y 10,3 MPa, y multiplicando por 100.

¿Qué variantes tiene el Ensayo CBR?

Existen dos variantes del Ensayo CBR muy utilizadas: el CBR de tres puntos y el CBR de 15 puntos.

El CBR de tres puntos es la variante más conocida y es llamada también CBR para humedad óptima. En esta variedad se elaboran tres muestras compactando el suelo con energías de compactación de 12, 25 y 56 golpes por capa. La humedad de mezclado es la humedad óptima del Ensayo Proctor Modificado. Para conseguir el Índice CBR se elabora una gráfica con los resultados del ensayo de las tres muestras colocando en el eje de abscisas el grado de compactación y en el eje de ordenadas el valor de CBR. Una vez representados los puntos, se unen con una curva. La ASTM (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales) establece esta variante como procedimiento para suelos no susceptibles al humedecimiento, aunque es comúnmente utilizada para todo tipo de suelos.

El CBR de 15 puntos, también llamado CBR para un rango de humedad, está recomendado para suelos susceptibles a la humedad, que son aquellos para los que no se recomienda realizar el CBR de tres puntos. El procedimiento es similar al de tres puntos. Se realizan tres muestras  con energía de compactación de 12, 25 y 56 golpes por capa. La única diferencia es que no se utiliza la humedad óptima por Proctor Modificado, sino que se utiliza una humedad similar a la que estará sometido el campo. Aunque en la norma 1883 se proponía un método gráfico para el CBR, desde la actualización de 2005 de esta norma se ha suprimido la utilización de este método, dejando al realizador del ensayo una libre interpretación de los resultados.

¿Qué materiales se usan en el Ensayo CBR?

Los materiales y medios mecánicos que se necesitan para realizar un Ensayo CBR son diferentes dependiendo de donde se realice el ensayo.

CBR in situ

En el CBR in situ se necesita:

  • Gato de tornillo equipado con un dispositivo giratorio de manivela para aplicar la carga al pistón de penetración con capacidad máxima de 2700kg y altura mínima de elevación de 50mm
  • Dos anillos de carga calibrados adecuadamente:
    • Un anillo con amplitud de 0 a 8.8 kN
    • Un anillo con amplitud de carga de 0 a 22.6 kN
  • Pistón de penetración de 101mm de longitud.
  • Dos diales
    • Un dial para medir deformaciones del anillo de carga con lectura de 0.0025mm y recorrido de 6.4mm.
    • Un dial para medir las penetraciones del pistón con lecturas de 0.025mm y recorrido de 25mm
  • Soporte para el dial de penetración de 76mm de altura y 1.5m de longitud
  • Platina de sobrecarga circular de acero
  • Cuatro pesas de sobrecarga
  • Vehículo de carga suficiente para proveer una reacción de 31 kN
  • Dos gatos de 15 toneladas de capacidad, con doble acción combinada y descenso automático.
  • Otros: envases de muestra, espátula, cucharones para excavar…

CBR en laboratorio

Para el CBR de laboratorio se necesita:

  • Prensa para ensayos de compresión para forzar la penetración del pistón
  • Molde de metal cilíndrico con un collar suplementario de 51 mm de altura y una placa con base perforada de 9.53 mm de espesor.
  • Disco espaciador circular de metal de 150.8 mm de diámetro y 50.8 mm de espesor
  • Martillos de compactación
  • Aparato medidor de expansión formado por:
    • Placa de metal perforada de 149.2 mm de diámetro
    • Trípode cuyas patas puedan apoyarse en el borde del molde, que lleve montado y bien sujeto en el centro un dial que permita controlar la posición de éste y medir la expansión
  • Diez sobrecargas metálicas por cada molde, una anular y el resto ranuradas, con 2.27 kg de peso, 149.2 mm de diámetro y la anular con 54 mm de diámetro en el orificio.
  • Pistón de penetración cilíndrico metálico de 49.6 mm de diámetro
  • Dos diales con recorrido de 25 mm y divisiones en 0.025mm
  • Tanque con capacidad suficiente para la inmersión de los moldes agua.
  • Horno regulable
  • Dos balanzas:
    • Una de 20 kg de capacidad y con sensibilidad de 2g
    • Otra de 1 kg de capacidad con sensibilidad de 0.1g
  • Dos tamices de 4.75 mm y 19 mm
  • Otros materiales como mezclador, probetas, espátulas,…

¿Cuáles son las desventajas del Ensayo CBR?

El Ensayo CBR tiene algunas limitaciones:

  • El valor del índice no es en sí un parámetro geomecánico, aunque sí está asociado a varias correlaciones y métodos semiempíricos de diseño de pavimentos.
  • Si durante el ensayo se realizan 4 días de inmersión es difícil controlar la saturación del suelo. La muestra es sacada del agua y puesta a escurrir durante 15 minutos antes de realizar el ensayo. Este escurrimiento aumenta la succión en el suelo, lo que conlleva a resultados con sesgo.
  • El gráfico de densidad en comparación a CBR recomendado por ASTM para obtener el índice CBR del suelo no es una curva de diseño. Al no ser una curva de diseño no convendría usarla para diseñar el suelo compactado. Si se realiza el diseño a partir de la curva, se obtendrían resultados sesgados, debido a que no se puede asegurar que todas las muestras del gráfico tengan el mismo grado de saturación.

¿Qué es el Ensayo Proctor?

El Ensayo Proctor es una prueba de laboratorio que sirve para determinar la relación entre la humedad y el peso unitario seco de un suelo compactado, lo que permite determinar la calidad del suelo. Debe su nombre al ingeniero Ralph R. Proctor.

Este ensayo consiste en compactar una porción de terreno en un cilindro con volumen conocido haciendo variar su humedad para obtener una curva que relacione la humedad y la densidad seca máxima a una energía de compactación determinada.

El Ensayo Proctor tiene dos modalidades: estándar y modificado.

El Ensayo Proctor Estándar es considerado el ensayo original. La única variación entre ambas modalidades reside en la fuerza empleada, ya que en ambos se realiza el mismo procedimiento.

El Ensayo Proctor Modificado es el más empleado actualmente. Se aplica mayor fuerza de compactación que en el estándar ya que es más adecuado a los requerimientos de las estructuras que se construyen en la actualidad. Se considera una actualización del Ensayo Proctor Estándar.

La modificación de la fuerza entre ambos ensayos se realiza mediante una variación en el número de golpes, en la altura y peso del pisón, en el molde o en el número de capas.

El grado de compactación del terreno se expresa en porcentaje respecto al ensayo Proctor. Una compactación del 85% de Proctor Estándar significa que en campo se alcanza el 85% de la máxima densidad recogida en el ensayo. Este grado de compactación puede ser mayor al 100%.

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