Los proyectos de inversión en infraestructura vial, son trascendentales en el desarrollo interno del país1, sin embargo, en la actualidad existe una alta demanda de medios de transporte con problemas en su mantenimiento y conservación2.
Con respecto a los diseños de pavimentos, estos se realizan para una vida útil de 20 a 30 años3-5. Uno de los principales factores que propician la falla de los caminos se presenta desde la fase de proyecto, por el uso del CBR como criterio de diseño para los espesores de pavimentos flexibles.
Diversas fuentes mencionan la problemática del CBR como un parámetro anticuado y de baja representatividad de las condiciones de carga y de respuesta esfuerzo deformación de los suelos que constituyen el camino, además de una gran variabilidad en los resultados debido a condiciones inherentes a la prueba.
Qué es el CBR y por qué influye en el desempeño del pavimento
La Relación de Soporte de California (CBR) es un ensayo de penetración estandarizado que cuantifica la resistencia al corte y la capacidad de carga de los suelos de subrasante, subbase y capas de base utilizados en la construcción de pavimentos.
El resultado del ensayo se expresa como un porcentaje, la relación entre la fuerza requerida para introducir un pistón cilíndrico en el material de ensayo a una velocidad especificada, comparada con la fuerza requerida para lograr la misma penetración en una muestra estándar de piedra triturada de alta calidad.
Por definición, la piedra triturada estándar tiene un CBR del 100%.
El ensayo CBR fue desarrollado entre 1928 y 1929 por O.J. Porter, ingeniero de materiales e investigación de la División de Carreteras de California (ahora Caltrans).
Porter tenía la tarea de desarrollar un método racional para determinar el espesor de las capas de pavimento necesarias para evitar la falla de la subrasante bajo cargas de tráfico crecientes.
Su enfoque fue elegantemente simple: medir la resistencia del suelo a la penetración mediante un pequeño pistón bajo condiciones controladas, y expresar esa resistencia en relación con un material de referencia estable y bien comprendido, la piedra triturada.
Después de la Segunda Guerra Mundial, el ensayo CBR fue formalizado como método de ensayo estándar a través de la Sociedad Estadounidense para Ensayos y Materiales (ASTM) como ASTM D1883, y a través de la Asociación Estadounidense de Funcionarios de Carreteras y Transporte Estatales (AASHTO) como AASHTO T193.
Principales fallas del pavimento asociadas con un CBR inadecuado
Deformaciones permanentes y hundimientos
Un CBR bajo indica una capacidad de soporte reducida de la subrasante. Cuando la estructura del pavimento recibe las cargas del tránsito, el suelo puede deformarse excesivamente y producir hundimientos localizados o deformaciones permanentes.
La muestra se deja saturar durante 96 horas (4 días), una duración establecida por décadas de experiencia correlacionando valores de CBR saturado de 4 días con el rendimiento del pavimento en campo.
La saturación es la fase más crítica del ensayo CBR para el diseño de pavimentos.
Un suelo que pierde resistencia al aumentar su contenido de agua puede generar deformaciones importantes durante las temporadas lluviosas o cuando existen deficiencias de drenaje.
Desplazamientos horizontales
Los desplazamientos horizontales se presentan cuando las capas del pavimento o la subrasante no tienen suficiente resistencia para soportar las acciones repetidas del tránsito.
Las estadísticas de las vías del distrito de Chimbote, señalan 25 % tienen un deterioro en la capa de rodadura llamadas espalda de cocodrilo, 45 % tiene desplazamientos horizontales, hundimientos y 30 % fallas irregulares como son estrías transversales, estrías longitudinales y diagonales12.
Una subrasante con baja capacidad portante puede favorecer el movimiento lateral de los materiales, especialmente cuando existe humedad, compactación deficiente o una estructura de pavimento insuficiente.
Fisuración tipo piel de cocodrilo
La fisuración tipo piel de cocodrilo, también llamada espalda de cocodrilo, consiste en una red de grietas interconectadas que suele aparecer cuando la estructura trabaja con deformaciones excesivas.
El deterioro puede comenzar en la parte inferior de las capas asfálticas debido a la repetición de las cargas y extenderse progresivamente hacia la superficie.
Cuando el CBR empleado en el diseño no representa la resistencia real de la subrasante, los espesores calculados pueden ser insuficientes para controlar las deformaciones y la fatiga.
Estrías transversales, longitudinales y diagonales
Las fallas irregulares como son estrías transversales, estrías longitudinales y diagonales pueden relacionarse con movimientos diferenciales, deficiencias de compactación, variaciones de humedad y cambios en la capacidad de soporte del suelo.
La falta de uniformidad de la subrasante provoca que diferentes sectores del pavimento respondan de forma desigual ante una misma carga.
Levantamientos y daños por expansión
Durante la saturación, se toman mediciones de hinchamiento utilizando una placa de hinchamiento y un conjunto de dial.
El hinchamiento es la expansión vertical del suelo debido a la absorción de agua, expresada como un porcentaje de la altura inicial de la muestra.
Un alto potencial de hinchamiento indica que la subrasante puede experimentar un cambio de volumen significativo cuando se expone al agua, lo que provoca levantamiento y daños en el pavimento.
Para arcillas expansivas, no es raro un hinchamiento del 5% al 15%, y se requieren medidas de diseño especiales (estabilización con cal, barreras de humedad o sobreexcavación) para mitigar los daños al pavimento.
Fallas prematuras de la capa de rodadura
Los diseños de pavimentos se realizan para una vida útil de 20 a 30 años3-5, pero una caracterización insuficiente de la subrasante puede provocar que las fallas aparezcan antes del período previsto.
El deterioro prematuro se relaciona con una combinación de baja resistencia, humedad, tránsito repetido, compactación insuficiente, drenaje deficiente y espesores que no corresponden con las condiciones reales del terreno.
Limitaciones del CBR como criterio de diseño
El CBR representa una resistencia obtenida mediante una penetración controlada, pero no reproduce completamente las condiciones de carga repetida que experimenta un pavimento durante su vida útil.
Diversas fuentes mencionan la problemática del CBR como un parámetro anticuado y de baja representatividad de las condiciones de carga y de respuesta esfuerzo deformación de los suelos que constituyen el camino, además de una gran variabilidad en los resultados debido a condiciones inherentes a la prueba.
Esto ha llevado a varios países a abandonar su uso y optar por un parámetro más sofisticado como es el MR, sin embargo, en México continua con una relativa popularidad el uso del CBR.
La principal dificultad no consiste únicamente en obtener un valor de CBR, sino en determinar si dicho valor es representativo del suelo, de su humedad, de su densidad y de las condiciones que tendrá la estructura vial.
Factores que pueden generar resultados de CBR poco representativos
Variación del contenido de humedad
La resistencia de muchos suelos cambia considerablemente con el contenido de humedad.
La muestra se mezcla con suficiente agua para alcanzar el contenido de humedad objetivo, típicamente OMC ± 1% para la condición de diseño.
El suelo húmedo se coloca en un recipiente sellado y se deja curar durante un mínimo de 16 horas (durante la noche) para asegurar una distribución uniforme de la humedad en toda la muestra.
Si la humedad de laboratorio no corresponde a la humedad que prevalecerá en la subrasante, el valor obtenido puede sobreestimar o subestimar la capacidad de soporte real.
Compactación deficiente o diferente a la de campo
La densidad seca máxima (MDD) y el contenido de humedad óptimo (OMC) se determinan mediante compactación ASTM D698 (Proctor Estándar), un martillo de 5,5 lb que cae 12 pulgadas con tres capas y 25 golpes por capa, a menos que el material requiera el esfuerzo Proctor Modificado (ASTM D1557, martillo de 10 lb, caída de 18 pulgadas) para aplicaciones de mayor densidad como capas base de aeropuertos.
Cuando la energía de compactación aplicada en el laboratorio no corresponde con la energía utilizada en obra, la comparación entre ambos resultados pierde representatividad.
Saturación y condiciones de drenaje
Después de la compactación, el conjunto del molde (incluyendo la placa base perforada y un papel de filtro) se coloca en un tanque de agua, y se coloca una sobrecarga de 4,54 kg (10 lbs) sobre la muestra para simular la presión de sobrecarga de las capas de pavimento superiores.
La sobrecarga asegura que la muestra permanezca estable durante la saturación y representa la presión de confinamiento que experimentará la subrasante bajo la estructura real del pavimento.
Se admite agua en el tanque para sumergir la muestra hasta una profundidad de aproximadamente 25 mm (1 pulgada) por encima de la superficie superior.
La condición saturada puede ser crítica para suelos susceptibles al agua, aunque no todos los proyectos experimentan exactamente el mismo nivel de saturación durante su operación.
Preparación y granulometría de la muestra
Preparación de la muestra comienza con el secado al aire del suelo y su procesamiento a través de un tamiz de 19,0 mm (3/4 de pulgada) para eliminar partículas sobredimensionadas.
El material retenido en el tamiz de 19,0 mm se reemplaza con una masa igual de material que pasa el tamiz pero se retiene en el tamiz de 4,75 mm (N.º 4), asegurando que la granulometría de la muestra siga siendo representativa.
Una modificación inadecuada de la granulometría puede alterar la estructura interna de la muestra y producir un resultado que no represente el material existente en el terreno.
Corrección de la curva de penetración
En condiciones ideales, la curva fuerza-penetración es una curva suave, gradualmente creciente que pasa por el origen (fuerza cero en penetración cero).
Sin embargo, muchos suelos, particularmente suelos cohesivos compactados y materiales granulares con alta densidad de compactación, producen curvas con una forma inicial cóncava hacia abajo cerca del origen, lo que indica que el asentamiento del pistón o la compactación de irregularidades superficiales han aumentado artificialmente la pendiente inicial.
Cuando esto ocurre, se requiere una corrección del origen de la curva.
El procedimiento de corrección implica trazar una línea tangente a la porción más pronunciada de la curva fuerza-penetración (típicamente entre 1,0 mm y 3,0 mm de penetración).
Se identifica la intersección de esta tangente con el eje de fuerza cero.
Si esta intersección ocurre a una penetración mayor que cero (es decir, la tangente no pasa por el origen), toda la curva se desplaza horizontalmente de modo que la tangente pase por el origen.
Esta corrección elimina efectivamente el error de asentamiento inicial y asegura que el cálculo del CBR se base en el comportamiento real de resistencia del suelo.
Procedimiento del ensayo CBR y puntos críticos de control
El procedimiento del ensayo CBR está rigurosamente definido en ASTM D1883 (Método de Ensayo Estándar para la Relación de Soporte de California de Suelos Compactados en Laboratorio) y AASHTO T193 (Relación de Soporte de California).
Las dos normas son técnicamente equivalentes con diferencias procedimentales menores.
Preparación de la muestra
La muestra se mezcla con suficiente agua para alcanzar el contenido de humedad objetivo, típicamente OMC ± 1% para la condición de diseño.
El suelo húmedo se coloca en un recipiente sellado y se deja curar durante un mínimo de 16 horas (durante la noche) para asegurar una distribución uniforme de la humedad en toda la muestra.
Compactación en el molde
La compactación se realiza en el molde CBR estándar, un recipiente cilíndrico de acero de 152,4 mm (6,0 pulgadas) de diámetro y 177,8 mm (7,0 pulgadas) de altura, con una extensión de collarín desmontable que permite la compactación para producir una muestra de aproximadamente 127 mm (5,0 pulgadas) de altura después de retirar el collarín y enrasar la muestra con la parte superior del molde.
El molde incluye una placa base perforada para permitir el drenaje durante la saturación y un disco espaciador de aproximadamente 61,3 mm o 2,42 pulgadas de espesor colocado en el fondo durante la compactación para crear un vacío debajo de la muestra para la posterior medición del hinchamiento.
La muestra compactada se compacta en cinco capas iguales, recibiendo cada una 55 golpes del martillo de compactación de 5,5 lb (2,5 kg) que cae desde 304,8 mm (12 pulgadas), aplicados uniformemente sobre la superficie del molde (esfuerzo Proctor Estándar).
Para materiales que requieren esfuerzo Proctor Modificado, la muestra se compacta en cinco capas con 56 golpes por capa usando el martillo de 10 lb (4,54 kg) que cae desde 457 mm (18 pulgadas).
La altura de la muestra compactada debe ser de 127 ± 2,5 mm (5,0 ± 0,1 pulgadas) después del enrase.
Saturación de la probeta
Después de la compactación, el conjunto del molde se coloca en un tanque de agua y se aplica una sobrecarga de 4,54 kg (10 lbs) sobre la muestra.
La muestra se deja saturar durante 96 horas (4 días).
Durante la saturación, se toman mediciones de hinchamiento utilizando una placa de hinchamiento y un conjunto de dial.
Penetración y registro de cargas
El conjunto del molde se retira del tanque de agua y se deja escurrir durante 15 minutos.
La muestra se coloca en una máquina de ensayo de compresión (marco de carga) con una capacidad de al menos 50 kN (11 200 lbs).
Un pistón de penetración, de 49,63 ± 0,13 mm (1,954 ± 0,005 pulgadas) de diámetro, con un área transversal de 1935 mm² (3,0 pulgadas cuadradas), se posiciona en el centro de la superficie de la muestra.
El pistón se introduce en la muestra a una velocidad constante de 1,27 mm/min (0,05 pulg/min).
Las lecturas de carga (fuerza) se registran en incrementos de penetración de 0,25 mm (0,01 pulgada) hasta una penetración total de al menos 12,7 mm (0,5 pulgada).
Cálculo e interpretación del valor CBR
Las fuerzas estándar para el material de piedra triturada de referencia están tabuladas tanto en ASTM D1883 como en AASHTO T193.
| Profundidad de penetración | Fuerza estándar (kN) | Fuerza estándar (lbf) | Fuerza estándar (psi) |
|---|---|---|---|
| 2,54 mm (0,1 pulg) | 13,34 | 3000 | 1000 |
| 5,08 mm (0,2 pulg) | 20,02 | 4500 | 1500 |
| 7,62 mm (0,3 pulg) | 25,58 | 5750 | 1917 |
| 10,16 mm (0,4 pulg) | 30,69 | 6900 | 2300 |
| 12,70 mm (0,5 pulg) | 35,14 | 7900 | 2633 |
Después de la corrección de la curva (si es necesaria), los valores de fuerza a penetraciones de 2,54 mm y 5,08 mm se leen directamente de la curva corregida.
El CBR se calcula para cada profundidad de penetración usando la siguiente fórmula:
CBR (%) = (Fuerza Medida / Fuerza Estándar) × 100
Para la penetración de 2,54 mm: CBR₂,₅₄ = (F₂,₅₄ / 13,34 kN) × 100
Para la penetración de 5,08 mm: CBR₅,₀₈ = (F₅,₀₈ / 20,02 kN) × 100
El valor de CBR informado es el mayor de los dos valores calculados.
En prácticamente todos los casos donde el ensayo se ha realizado correctamente y la corrección de la curva se ha aplicado adecuadamente, el CBR a 2,54 mm de penetración es el que rige, es decir, produce el valor más alto.
Si el CBR a 5,08 mm de penetración es mayor que a 2,54 mm, el ensayo debe examinarse en busca de errores de procedimiento, anomalías del material o la necesidad de una corrección adicional de la curva.
Cómo se relaciona la curva CBR con las fallas del pavimento
La relación entre la fuerza aplicada y la profundidad de penetración se representa gráficamente para producir una curva de penetración CBR (curva fuerza-penetración).
Esta curva es el resultado de datos principal del ensayo CBR y debe analizarse cuidadosamente para determinar el valor correcto de CBR.
La curva de penetración también proporciona información cualitativa sobre el comportamiento del suelo.
Una curva pronunciada y de rápido aumento indica un módulo y resistencia altos, típico de materiales granulares bien graduados, piedra triturada y suelos tratados con cemento.
Una curva plana y gradualmente ascendente indica un módulo y resistencia bajos, típico de arcillas saturadas, limos y suelos orgánicos.
La forma de la curva entre 0 y 5,08 mm de penetración es particularmente instructiva, ya que refleja la rigidez del material a los niveles de deformación relevantes para el diseño de pavimentos.
Una curva asociada con baja rigidez puede advertir sobre una mayor susceptibilidad a hundimientos, deformaciones y fisuración por fatiga cuando el suelo queda sometido a cargas repetidas.
CBR de laboratorio y CBR in situ
En la actualidad, existen normas nacionales e internacionales que permiten estimar el valor CBR, siendo la ASTM D1883 utilizada para muestras alteradas7, la INV E 169-13 para CBR in situ8, entre otros.
El ensayo CBR de laboratorio se realizó una vez extraído del campo y llevado al laboratorio para sus posteriores ensayos de las 4 muestras extraídas (calicatas) para esto se tuvieron que realizar contenido de humedad, límite líquido, límite plástico, máxima densidad seca (MDS), contenido óptimo de humedad.
El CBR de laboratorio permite controlar con precisión la preparación, la humedad, la densidad y la saturación de la probeta, pero puede alejarse de las condiciones naturales si la muestra pierde su estructura o si el proceso de compactación no reproduce el terreno.
El CBR in situ se obtiene directamente sobre el suelo existente, por lo que puede reflejar mejor la condición real de compactación y humedad en el punto evaluado.
Sin embargo, también puede verse afectado por la heterogeneidad del terreno, la presencia de partículas gruesas, la dificultad de controlar la saturación y las condiciones locales del ensayo.
Uso del PDC como alternativa de evaluación
Estos ocasionan un alto costo y tiempo excesivo, siendo necesario optimizar todos estos recursos utilizando métodos más simples y sencillos, hoy en día, el más empleado es método de PDC, propuesto por las normas vigentes ASTM D 6951-039.
La norma ASTM D6951-0315, establece el uso de PDC, se utiliza una ecuación del cuerpo de ingenieros de la armada de los Estados Unidos, utilizada en la calidad de los suelos, esta correlación surge de los índices PDC.
El PDC es un método versátil y confiable16.
Se realizaron 4 exploraciones utilizando PDC.
El ensayo PDC puede facilitar una evaluación rápida de la variación de resistencia a lo largo de un tramo vial y ayudar a identificar sectores débiles que podrían no quedar representados por unas pocas calicatas.
Según el uso y los años, aparecen inconvenientes en las correlaciones y usos de distintos autores para determinar las clasificaciones de suelos con los ensayos de CBR en situ y laboratorio.
Por esta razón, una correlación entre PDC y CBR debe utilizarse considerando el tipo de suelo, la condición de humedad, la densidad, el procedimiento empleado y el ámbito en el que fue desarrollada.
Aplicación en la evaluación de una vía
La población seleccionada en el ensayo fueron suelos de la subrasante en la vía Cusco-Paruro, km 0 al 4 en la comunidad de Ccollparo.
El ensayo CBR de laboratorio se realizó una vez extraído del campo y llevado al laboratorio para sus posteriores ensayos de las 4 muestras extraídas (calicatas).
Para esto se tuvieron que realizar contenido de humedad, límite líquido, límite plástico, máxima densidad seca (MDS), contenido óptimo de humedad.
La comparación de resultados de laboratorio con exploraciones PDC permite reconocer diferencias entre el comportamiento medido en condiciones controladas y la resistencia observada directamente en la subrasante.
En nuestro país, es importante brindar la información de infraestructura vial, para impulsar un planeamiento de desarrollo para los medios de transporte y la red de infraestructuras viales.
Medidas para reducir las fallas relacionadas con un CBR bajo
- Verificar el contenido de humedad y la densidad de compactación durante la construcción.
- Considerar las condiciones de saturación que puedan presentarse en servicio.
- Identificar los suelos expansivos mediante la medición del hinchamiento.
- Revisar la uniformidad de la subrasante mediante exploraciones distribuidas a lo largo del tramo.
- Comparar los resultados de CBR de laboratorio con los valores obtenidos mediante PDC.
- Examinar la curva fuerza-penetración cuando el valor a 5,08 mm sea mayor que el valor a 2,54 mm.
- Aplicar estabilización con cal, barreras de humedad o sobreexcavación cuando existan arcillas expansivas.
- Utilizar correlaciones PDC-CBR compatibles con las características del suelo evaluado.
Para ensayos de control de calidad durante la construcción, puede que no se requiera el ensayo completo de penetración hasta 12,7 mm.
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