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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA“Norte de la Universidad Peruana”
SECCIÓN JAÉNFundada por Ley Nº 14015 del 13 de Febrero de 1,962
Bolívar Nº 1342 – Plaza de Armas – Telfs. 431907 - 431080JAÉN – PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA
I. PERMEABILIDAD IN SITU:
El ensayo de permeabilidad es uno de
los ensayos "in situ" llevados a cabo para
realizar un reconocimiento geotécnico. Existen
diferentes formas de ensayo que pueden
agruparse en tres: ensayos de permeabilidad
en calicatas, en sondeos y en pozos.
En cualquier caso, se obtiene la
permeabilidad media de la zona afectada por el
ensayo, que varía entre unos decímetros a
centenares de metro.
Siempre existe la incertidumbre sobre la razón de anisotropía en permeabilidad
del terreno y, en terrenos formados por varios materiales, sobre las relaciones entre
las permeabilidades de cada uno. Con determinadas disposiciones de ensayo, es
posible obtener datos que permitan la estimación de estas razones, pero en general es
un factor desconocido en la interpretación del ensayo.
ENSAYOS EN CALICATAS:
En calicatas, es posible la realización
de ensayos de permeabilidad mediante
llenado de agua hasta una cota superior
al nivel freáticocircundante, y luego
midiendo el descenso del nivel de agua en
la cata con el tiempo, o bien achicando el
agua del interior y dejando posteriormente
recuperar el nivel.
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En cualquier caso, el ensayo permite, mediante la aplicación de la formulación
correspondiente, estimar el coeficiente de permeabilidad midiendo el tiempo de
recuperación.
ENSAYOS EN SONDEOS:
Las mismas variantes de ensayo son
posibles en sondeo (ensayos Lefranc). Para el
ensayo, se levanta algo la entubación, dejando
una porción de sondeo en el fondo sin
entubación lateral. A continuación se realiza el
ensayo, en cualquiera de sus modalidades (carga
fija o variable, alimentación o achique de agua).
En el caso de ensayos de carga
constante, se mantiene el nivel de agua en el sondeo mediante la adición de un
determinado caudal. El caudal que se filtra, depende de la permeabilidad, de la forma:
siendo H la diferencia de niveles de agua entre el interior del sondeo y el nivel
freático, y k el coeficiente de permeabilidad del suelo. El factor de proporcionalidad, n,
depende de las condiciones de control de cada caso (diámetro del sondeo, longitud de
la zona sin entubación, proximidad de estratos impermeables, etc.),
para
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para
En el caso de ensayos de carga variable, se mide lo que desciende el nivel de
agua en un tiempo determinado. La expresión correspondiente es:
siendo H1 y H2 los valores de H en los tiempos t1 y t2 respectivamente, D0 el
diámetro de la entubación en la zona de oscilación del nivel de agua. Los valores de n
varían según las características de la entubación y del terreno en que se realiza.
Los resultados de los ensayos son muy sensibles a algunos factores de la
ejecución como la limpieza del fondo del sondeo, la posibilidad de filtraciones por el
contacto de la tubería y el terreno, etc.
Otros ensayos en sondeo son los denominados ensayos Lugeon, consistentes
en inyectar agua a presiones crecientes, en un tramo limitado por dos obturadores. Se
define la unidad Lugeon como la permeabilidad que permite la admisión de 1 litro de
agua por minuto y por metro lineal de sondeo, a una presión de 1 Kpa (10 kp/cm²).
Este ensayo se emplea en macizos rocosos, para definir la inyectabilidad de cimientos
de presas de fábrica.
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ENSAYOS EN POZOS:
Cuando la permeabilidad del
terreno es un factor crítico, como ocurre
en grandes excavaciones bajo el nivel
freático, el método más fiable es la
ejecución de ensayos de bombeo en
pozo, en régimen transitorio o
permanente.
Se trata de ensayos costosos, pues implican la excavación del pozo de bombeo,
y de los sondeos para alojamiento de los piezómetros que permitan medir la evolución
de la superficie libre del agua a distintas distancias del pozo.
La interpretación de los resultados del ensayo depende de las condiciones de
contorno en cada caso particular. Tanto el diseño del ensayo como la supervisión de su
ejecución y su interpretación, requieren la intervención de técnicos especialistas en el
tema.
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II. ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON INYECCIONES:
Es importante ser capaz de identificar los distintos procesos que se pueden
utilizar para mejorar la naturaleza de los terrenos, así como también los factores
involucrados para fijar las condiciones de empleo de las inyecciones, dado el
comportamiento impredecible que pueden tener los terrenos.
Las inyecciones son un procedimiento de construcción relativamente nuevo,
aunque muy reconocido hoy en día.
Se originaron en Francia a fines del siglo XIX, cuando Bérigny inyectó con éxito
morteros de cemento en el año 1802.
Las inyecciones son procedimientos que se realizan con el fin de mejorar la
resistencia del suelo.
Son procedimientos que se aplican al subsuelo, introduciendo en los poros o
fisuras del medio a tratar un producto liquido (conocido como mortero o lechada de
inyección), que se solidifica adquiriendo resistencias determinadas a través del tiempo.
Usos de las Inyecciones :
Los principales usos de las inyecciones son:
Impermeabilizar cierto volumen de suelo debajo o alrededor de una estructura.
Densificar los suelos de fundación para aumentar la resistencia a rotura y
reducir la compresibilidad.
Rellenar grietas para prevenir asentamientos excesivos.
Controlar el movimiento del suelo durante el proceso de construcción de un
túnel.
Apoyo de fundaciones.
Control del cambio de volumen de suelos expansivos.
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FACULTAD DE INGENIERÍAMétodos de Inyección :
Debido a la heterogeneidad y comportamiento del terreno, existen diferentes
métodos de inyección:
Inyección por consolidación (Compaction Grouting).
Inyección por reemplazo (Jet Grouting).
Inyección por impregnación y fractura (Fracture Grouting).
Inyección de lechadas de cemento-bentonita y/o aditivos plastificantes
y aceleradores de fraguado. (Chemical / Cement Grouting).
Cada método se diferencia principalmente en la presión con la que se inyecta el
material (métodos de alta o baja presión).
Inyección por Compactación :
Adición de materiales que mejoran la capacidad portante y reducen la permeabilidad
del terreno.
En General:
ï Desplazamiento de suelo.
ï Restauración de la capacidad de carga.
En Obras:
ï Remediar densificaciones de suelo.
ï Prevenir asentamientos
Inyección por Reemplazo (Jet Grouting)
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FACULTAD DE INGENIERÍADescripción:
Técnica que mejora las características mecánicas y el comportamiento del
terreno.
Consiste en la inyección de un material consolidante, a muy alta velocidad, a
través de una o más boquillas de diámetro pequeño.
Permite obtener un tratamiento homogéneo y continuo del terreno,
destruyendo su estructura primitiva y creando un verdadero elemento
estructural con características determinadas en función del terreno de origen.
Se puede utilizar en una amplia gama de terrenos, desde gravas a arcillas.
Procedimiento constructivo:
3. Fase de perforación por rotación : Se perfora el terreno a través de un sistema
de rotopercusión o por simple rotación.
4. Fin de la perforación : Una vez que se llega a la cota establecida se comienza
con el proceso de inyección.
5. Inicio del proceso : Se inyecta la lechada a alta presión (mediante bombas) a
través de las toberas.
6. Elevación y rotación : Se va ascendiendo al mismo tiempo que el elemento va
rotando y provocando la inyección.
7. Terminación y repetición del proceso : Se llega hasta la superficie con la
columna en cuestión y se comienza con la siguiente.
Sistemas de Jet Grouting:
Jet 1: Fluido Simple . Se inyecta lechada de cemento sola, a alta presión. Se
produce un verdadero y homogéneo suelo cemento, con la más alta resistencia
y el menor desperdicio de lechada.
Jet 2: Fluido Doble . Se inyecta lechada con aire comprimido, a una presión más
baja que en el Jet 1. El aire reduce la fricción, por lo que la lechada de cemento
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FACULTAD DE INGENIERÍAse desplaza más. Se logran columnas de inyección más grandes que con el Jet 1.
Jet 3: Fluido Triple . Se inyecta lechada con aire comprimido y agua a presión. El
aire empuja el suelo circundante, generando un vacío en forma de columna
alrededor del inyector. Por otra tobera (colocada debajo de la anterior) se
inyecta la lechada de cemento, con lo cual se llena el vació creado
previamente.
El Jet 3 a diferencia del Jet 1 y del Jet 2, no es un procedimiento de mezcla in situ del
suelo, sino que es un sistema de reemplazo del mismo.
Características del Jet Grouting:
Permite formar columnas de suelo mejorado con inyección, mediante la
introducción a alta velocidad de un material consolidante (normalmente,
lechada de cemento).
El diámetro y resistencia de las columnas dependen del método de ejecución y
de las características del terreno.
Útil para la creación de muros de contención y estanqueidad.
Permite mejorar la estanqueidad en pantallas discontinuas, de pilotes o
micropilotes.
Este procedimiento se puede aplicar a suelos con todo tipo de tamaño de
partículas.
Inyección por Reemplazo (Jet Grouting)
Aplicaciones del Jet Grouting:
Consolidaciones de terrenos para excavación de túneles, pozos, ejecución de
taludes, etc.
Recimentación de edificios y estructuras en general.
Muros de sostenimiento.
Pantallas impermeables.
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FACULTAD DE INGENIERÍA Tapones de fondo en recintos estancos.
Inyección por Fracturación Hidráulica:
Descripción:
Consiste en la inyección del terreno mediante su fracturación por lechada, con
una presión por encima de su resistencia a tracción y de su presión de confinamiento.
Aplicación:
Esta técnica puede aplicarse a cualquier tipo de suelo y roca blanda (desde
suelos granulares gruesos a arcillas de alta plasticidad y desde rocas ígneas
descompuestas hasta margas arcillosas).
Asegura movimientos no superiores a 2 o 3 [mm] en construcciones o servicios
existentes en el entorno de la inyección
Procedimiento:
Para llevar a cabo el tratamiento es necesario perforar primeramente el taladro
de inyección y estabilizar sus paredes mediante entubación o lodo de
perforación.
Se introduce en su interior el tubo de manguitos que se sella al terreno
mediante una lechada de mortero a medida que se retira la entubación o se
desplaza el lodo de perforación. El objetivo de esta mezcla de sellado es el de
impedir que la lechada estable de cemento, que después se inyectará, circule a
lo largo del sondeo entre el tubo de manguitos y el terreno. Por lo tanto su
composición debe ser cuidadosamente estudiada de manera que se pueda
romper radialmente bajo presión, una vez fraguada, para permitir el acceso de
la lechada de inyección al terreno.
Se inyecta lechada en las fisuras naturales del suelo, o produce una serie de
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FACULTAD DE INGENIERÍAfracturas hidráulicas que se rellenan con mortero y rodean a los fragmentos
(clastos); o simplemente se extienden como venas cementicias que al fraguar
producen un conjunto suelo-fractura muy resistente.
Efectos de la fracturación:
Si el medio que recibe la inyección se supone homogéneo e isótropo, la
fracturación se producirá en cada caso perpendicularmente a la dirección de
menor presión efectiva.
El desarrollo de estas inclusiones produce deformaciones en un entorno del
área directamente afectada, pues estas últimas disminuyen rápidamente al
alejarse de la inclusión forzada en el terreno. Esta circunstancia es la que
permite adoptar presiones de tratamiento muy superiores a la presión
geostática siempre que se controle tanto el volumen inyectado, como el caudal
de inyección. Entre fases sucesivas de inyección, la lechada previamente
forzada en el terreno fragua y endurece, lo que determina una rápida
reducción de las presiones generadas en el dominio del terreno afectado por la
fracturación.
Cuando se utilizan tubos manguitos de acero (inyección armada) el terreno
queda mejorado a través de 3 procesos simultáneos, pero diferenciados.
Vertebración, por inclusión coalescentes, fraguadas y endurecidas, de
lechada de cemento estable.
Bulonado o claveteado del dominio de terreno tratado, por medio de
los propios tubos de acero dotados de manguitos, que quedan
solidarizados al terreno.
Consolidación de los subdominios de terreno incluidos entre lenguas de
lechada inicialmente fluida y sometida a presiones variables.
Mejoramiento en la resistencia:
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FACULTAD DE INGENIERÍA Puede utilizarse la teoría de Estado Crítico para estimar las mejoras que
experimentan la cohesión aparente c’ del terreno y su resistencia al esfuerzo
cortante sin drenaje.
La inyección por fracturación hidráulica produce un efecto de
sobreconsolidación sobre un punto del terreno. Este inicialmente tiene un
índice de poros e1 y una presión efectiva vertical s‘v, la inyección por
fracturación reduce el índice de poros hasta un valor e2 y en el manguito se
alcanza una presión de cierre pe (presión estática con el manguito abierto y
caudal de inyección casi nulo ). La presión p en la boca del taladro
correspondiente a dicho valor de cierre en el manguito será p = pe + gw hw,
siendo gw el peso específico del agua y hw la diferencia de cotas entre el nivel
freático y el punto de ubicación del manguito.
Cohesión aparente y esfuerzo de corte:
Según la teoría la cohesión aparente c’ de un suelo sobreconsolidado y su
resistencia al esfuerzo cortante cu están dadas en función de su índice de poros
e por las siguientes expresiones:
Cohesión aparente y esfuerzo de corte.
Dependiendo del tipo de suelo de que se trate, se pueden contemplar los
siguientes casos.
Suelos sobreconsolidados.
Suelos normalmente consolidados.
Ejemplos de inyección por fracturación hidráulica:
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FACULTAD DE INGENIERÍA Puede aplicarse esta técnica para eliminar los empujes de muros cuya
estabilidad esté comprometida.
En el caso de edificios cimentados en la coronación de laderas inestables, el
tratamiento permite el recalce localizado de la zona de apoyo del edificio, así
como el de las zonas de laderas que más pueden afectar su deslizamiento.
Obras portuarias
Inyección por de Lechadas de Cemento (Chemical/Cement Grouting) :
Corresponde a la inyección de lechadas con diferentes tipos de aditivos y/o geles.
Este tipo de inyección puede clasificarse de acuerdo al tipo de mejora que desee
obtenerse:
Structural Chemical Grouting: busca impermeabilizar suelos arenosos
mediante lechadas que permiten crear grandes “masas” capaces de
soportar cargas.
Water Control Chemical Grouting: busca impermeabilizar suelos
arenosos mediante el relleno de los vacíos y así controlar el flujo de
agua.
Aplicaciones:
Revestimientos.
Apoyos en fundaciones.
Soporte en túneles.
Piques de excavación bajo agua.
Tranques de relave.
Estabilización de rocas.
Criterios de Inyectabilidad:
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FACULTAD DE INGENIERÍA Para precisar el tipo de lechada a inyectar, es necesario determinar la relación
existente entre las dimensiones de los granos del mortero de inyección y del
esqueleto del suelo. Esto queda definido por parámetros geotécnicos del suelo
tales como:
Permeabilidad.
Estratigrafía del suelo.
Existencia de napa freática.
Porosidad del suelo.
Granulometría.
Criterio Granulométrico:
Mediante ensayos de penetración de morteros en suelos con diferentes
granulometrías se han obtenido los siguientes resultados:
Este criterio utiliza un parámetro N a partir del cual se tiene que para suelos
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FACULTAD DE INGENIERÍAgranulares:
Desventajas del criterio:
Debido a que un suelo de granulometría determinada puede verse
afectada por el grado de compactación del suelo, el criterio
granulométrico no es representativo.
Resulta complicado comparar curvas granulométricas entre el esqueleto
del suelo y del mortero.
Tipos de Mezcla:
ï Mezclas Líquidas: mezclas en las cuales el tamaño de las partículas no puede
medirse fácilmente. Estos morteros pueden penetrar en todos los huecos
donde el agua tiene acceso. Entre estas mezclas se caracterizan:
Geles de silicato de sodio: soluciones que al cabo de un tiempo se
transforman en un gel duro. Se utiliza para impermeabilizar.
Resinas orgánicas: líquidos que se polimerizan y adquieren una
resistencia mayor que el hormigón.
ï Suspensiones inestables: corresponden a lechadas de cemento que forman
flóculos que sedimentan en los intersticios del esqueleto de suelo. Entre ellos
se caracterizan:
Morteros de cemento: el cemento se deposita y sedimenta en los
intersticios del suelo granular.
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FACULTAD DE INGENIERÍA Morteros rebajados: se reemplaza el cemento por un polvo inerte de
arena fina.
ï Suspensiones estables: combinaciones de arcilla-cemento y arena que
proporcionan impermeabilidad una vez endurecidas. Entre ellas tenemos:
Morteros de cemento-bentonita: permite aumentar la viscosidad del
mortero a una relación agua/cemento constante.
Morteros de cemento-silicato: permite aumentar la rigidez del mortero
una ve endurecido y acelera su fraguado.
Resistencia al Corte:
ï Todos los tipos de grout mostrados anteriormente presentan baja resistencia al
corte por sí solos.
ï Sin embargo, al combinarlos con los granos de suelo es posible incrementar la
resistencia al corte de un suelo estabilizado.
ï Esto se debe a que una vez que el grout comienza a solidificarse se generan
fuerzas capilares a nivel de los granos, densificando el suelo y disminuyendo la
cantidad de vacíos.
ï Es por este motivo que suelos bien graduados tienen mayor resistencia al corte
que los suelos pobremente graduados.
ï Recordemos que la resistencia al corte de un suelo está dada por dos
parámetros:
Cohesión.
Ángulo de fricción entre partículas.
ï De esta manera se tiene que las arcillas puras virtualmente no tienen
resistencia a la fricción (f = 0º) pero tienen alta cohesión.
ï Los suelos granulares desarrollan un alta resistencia a la fricción (f = 35º en
promedio) y una cohesión casi nula.
ï Suelos cohesivos presentan alta impermeabilidad.
ï Es por este motivo que las inyecciones se utilizan principalmente en suelos
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FACULTAD DE INGENIERÍAgranulares, ya que el material de relleno agrega cohesión al suelo. Esto hace
que la resistencia al corte de un suelo estabilizado aumente y a la vez se gane
impermeabilidad.
III. RAZON DE SOPORTE DE CALIFORNIA ( CBR ):
La finalidad de este ensayo, es determinar la capacidad de soporte (CBR) de
suelos y agregados compactados en laboratorio, con una humedad óptima y niveles de
compactación variables. Es un método desarrollado por la división de carreteras del
Estado de California (EE.UU.) y sirve para evaluar la calidad relativa del suelo para sub-
rasante, sub-base y base de pavimentos.
El ensayo mide la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad
y densidad controladas, permitiendo obtener un (%) de la relación de soporte. El (%)
CBR, está definido como la fuerza requerida para que un pistón normalizado penetre a
una profundidad determinada, expresada en porcentaje de fuerza necesaria para que
el pistón penetre a esa misma profundidad y con igual velocidad, en una probeta
normalizada constituida por una muestra patrón de material chancado.
La expresión que define al CBR, es la siguiente:
CBR=(carga unitaria del ensayo / carga unitaria patrón) * 100 ( % )
De la ecuación se puede ver que 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.
Usualmente el número CBR, se basa en la relación de carga para una
penetración de 2,5 mm. (0,1"), sin embargo, si el valor de CBR a una penetración de 5
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FACULTAD DE INGENIERÍAmm. (0,2") es mayor, el ensayo debe repetirse. Si en un segundo ensayo se produce
nuevamente un valor de CBR mayor de 5 mm. de penetración, dicho valor será
aceptado como valor del ensayo. Los ensayos de CBR se hacen sobre muestras
compactadas con un contenido de humedad óptimo, obtenido del ensayo de
compactación Proctor.
Antes de determinar la resistencia a la penetración, generalmente las probetas
se saturan durante 96 horas para simular las condiciones de trabajo más desfavorables
y para determinar su posible expansión.
En general se confeccionan 3 probetas como mínimo, las que poseen distintas
energías de compactación (lo usual es con 56, 25 y 10 golpes). El suelo al cual se aplica
el ensayo, debe contener una pequeña cantidad de material que pase por el tamiz de
50 mm. y quede retenido en el tamiz de 20 mm. Se recomienda que esta fracción no
exceda del 20%.
Método para muestras inalteradas .
Mediante este método, se determina el CBR de un suelo cohesivo en estado
natural. Se diferencia del anterior sólo en la toma de muestras, ya que los pasos para
determinar las propiedades expansivas y la resistencia a la penetración son similares.
Se tomarán tres muestras inalteradas, empleando para ello moldes CBR
armados en los extremos de su respectivo collarín. Para facilitar el hinchamiento del
molde, el collarín que se apoya sobre la superficie del terreno tendrá sus bordes
cortantes.
El procedimiento consiste en ir comprimiendo o hincando el molde contra la
superficie del terreno y al mismo tiempo retirando el suelo de alrededor del molde,
hasta que la muestra de suelo entre en el collarín superior por lo menos 25 mm.,
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FACULTAD DE INGENIERÍAcuidando reducir al mínimo las perturbaciones de la muestra.
Finalmente, se retira el molde realizando un movimiento como cortando el
suelo, se retira el collarín superior, se enrasan ambas caras de la muestra y se les vierte
parafina sólida derretida con el fin de evitar pérdidas de humedad en el traslado al
laboratorio. El peso unitario y la humedad deberán ser determinados por medio del
ensayo de densidad in situ, eligiendo un lugar próximo a aquel desde donde se
obtuvieron las muestras.
Método CBR in situ .
Es un método adecuado para determinar la capacidad de soporte de un
material en el lugar donde será sometido a las solicitaciones de la estructura que
soportará. Debería realizarse cuando se presenten materiales dudosos y en
movimientos de tierra importantes. Básicamente la fase de penetración de este ensayo
es similar a la descrita anteriormente.
Lo usual es determinar primero la densidad in situ del material en el lugar de
ensayo, el cual puede ser usado bajo cualquiera de las siguientes condiciones:
- cuando in situ la densidad y el contenido de agua son tal que el grado de
saturación es de un 80% o superior,
- cuando el material es de granos gruesos y su cohesión es tal que no se vea
afectado por cambios en la humedad o
- cuando el material ha estado en el lugar por varios años. En estos casos La
humedad no es constante pero fluctúa dentro de rangos estrechos y el ensayo CBR in
situ se considera como un indicador satisfactorio de la capacidad de soporte del suelo.
Por lo general se elige un lugar donde no haya piedras mayores a 3/4", deberá
removerse el material suelto y nivelar la superficie, luego se coloca un sistema de
reacción montando un gato, con anillo dinamométrico y pistón, en forma vertical,
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FACULTAD DE INGENIERÍAaplicando la reacción con un vehículo cargado u otro sistema (figura 3.21.). En caso de
que el pistón sea colocado en forma horizontal, la reacción será dada por la pared
contraria del pozo construido para este efecto.
Se colocan los anillos de sobrecarga directamente al suelo y se carga el pistón al
suelo con una fuerza menor que 4,54 kg. Se debe instalar un dial comparador para
registrar las lecturas de deformaciones, en un punto que permanezca constante e
inmóvil (por ejemplo una viga empotrada al suelo en poyos de hormigón).
La penetración se realiza en forma similar al ensayo tradicional y el ensayo se
repite en otros dos puntos escogidos con anterioridad. La forma de expresar los
resultados también es idéntica al método de laboratorio, es decir, trazando la curva
tensión contra penetración, corrigiendo la curva si fuese necesario y calculando el CBR
in situ, usando los valores de penetración de 0,1" y 0,2".
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Figura 3.21. Ensayo CBR in situ (ELE Internacional Ltda., 1993).
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IV. BIBLIOGRAFIA:
Hayward Baker – Grouting, Ground Improvement:
http://www.haywardbaker.com/services/compaction_grouting.htm
Chemical Grouting and Soil Stabilization, Third Edition - Reuben H. Karol
DETERMINACION DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE CBR DEL SUELO
http://icc.ucv.cl/geotecnia/11_nuestro_laboratorio/laboratorio/cbr/
index.html
Mejora y Consolidacion de Suelos
http://www.udc.es/dep/dtcon/estructuras/ETSAC/Profesores/
valcarcel/MaterMRHE-0809/6-Mejora%20suelos.pdf
Estabilizacion de Suelo
http://www.erosion.com.co/index.php?
option=com_content&task=view&id=66&Itemid=98
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