¿Qué es el CBR de un suelo?

Definición y características

El CBR es un ensayo para evaluar la calidad del un material de suelo con base en su resistencia, medida a través de un ensayo de placa a escala.

CBR significa en español relación de soporte California, por las siglas en inglés de «California Bearing Ratio», aunque en países como México se conoce también este ensayo por las siglas VRS, de Valor Relativo del Soporte.

Aunque fue desarrollado en 1925, el ensayo comienza a aparecer en los estándares norteamericanos ASTM (por American Standards for Testing and Materials) desde 1964, en su versión para laboratorio (ASTM D 1883), y en su versión para campo (ASTM D 4429). A pesar de sus múltiples limitaciones, como se indicarán más adelante en este artículo, hoy por hoy, el CBR es uno de los ensayos más extendidos y aceptados en el mundo debido al relativo bajo costo de ejecución (si se compara con ensayos triaxiales), y a que está asociado a un número de correlaciones y métodos semi-empíricos de diseño de pavimentos.

Según la norma ASTM D 1883-07, el CBR es un ensayo de carga que usa un pistón metálico, de 0.5 pulgadas cuadradas de área, para penetrar desde la superficie de un suelo compactado en un molde metálico a una velocidad constante de penetración. Se define CBR, el parámetro del ensayo, como la relación entre la carga unitaria en el pistón requerida para penetrar 0.1” (2.5 cm) y 0.2” (5 cm) en el suelo ensayado, y la carga unitaria requerida para penetrar la misma cantidad en una piedra picada bien gradada estándar; esta relación se expresa en porcentaje.

Bien, por cada espécimen de suelo se calculan dos valores de CBR, uno a 0.1” de penetración, y el otro a 0.2” de penetración. La pregunta de siempre es ¿cuál de los dos es el CBR que se reporta? ASTM dice que el que se reporta es el de 0.1” mientras este sea menor que el de 0.2”. En el caso en el que el valor de CBR para 0.1” fuera mayor que el de 0.2” habría que repetir el ensayo para ese espécimen (La norma en inglés dice «rerun», que traducimos como volver a hacer el ensayo, pero no aclara si hay que volver a fabricar el espécimen o si se puede utilizar la opción de voltearlo y ensayarlo por el otro extremo).

Los valores de CBR cercanos a 0% representan a suelos de pobre calidad, mientras que los más cercanos a 100% son indicativos de la mejor calidad. Antes de que pregunten les digo que sí, es posible obtener registros de CBR mayores que 100%, típicamente en suelos ensayados en condición «en seco» o «tal como se compactó». Ante las preguntas que nos hay llegado prometo escribir un artículo especialmente para soportar este aspecto con resultados reales de pruebas.

En la versión de CBR de laboratorio, los especímenes de suelo se compactan con el equipamiento del ensayo Proctor, utilizando moldes de 6” de diámetro y martillo grande. La velocidad de penetración del pistón durante el ensayo es constante e igual a 1.27 mm/min.

Variantes del ensayo de laboratorio

Según ASTM, para la versión de laboratorio del ensayo CBR existen dos variantes, una llamada  «CBR para humedad óptima», y la otra llamada «CBR para un rango de contenidos de agua».

El CBR para humedad óptima es la variante más popular y es conocida también como «CBR de tres puntos». Consiste en elaborar tres especímenes compactando el suelo con energías de compactación de 12, 25 y 56 golpes por capa. La humedad de mezclado del suelo es la humedad óptima del Proctor Modificado. Para obtener el CBR del suelo se prepara una gráfica con los resultados del ensayo de los tres especímenes poniendo en las abscisas al grado de compactación o la densidad y en las ordenadas al valor de CBR, y se unen los puntos a través de una curva. El CBR del suelo se define como el intercepto correspondiente al grado mínimo de compactación establecido por la especificación del proyecto o agencia solicitante. Aunque ASTM explica que esta variante está destinada a suelos que no son susceptibles al humedecimiento (por ejemplo, suelos granulares limpios), es práctica común utilizarla para todo tipo de suelos (corriendo el riesgo de no evaluar la influencia de la humedad en un suelo susceptible a la humedad).<

El CBR para un rango de humedades conocido también como «CBR de 15 puntos» y ASTM lo recomienda para suelos susceptibles a la humedad (suelos cohesivos o todos los suelos no limpios) o en los que se quiera evaluar el efecto de la humedad en la resistencia. ASTM dice que se preparan varios especímenes de suelo compactándolos en un rango de contenidos de agua similares a los que se piensa estará sometido en campo, y a varios niveles de energía de compactación, típicamente 12, 25 y 56 golpes por capa. Aunque antes el procedimiento ASTM proponía un método gráfico para definir el CBR, a partir de la versión 2005 de la norma D 1883 dicho procedimiento fue suprimido luego de la actualización de 2005. Entiendo que deja libre al laboratorista la interpretación. La variante de CBR para un rango de humedad es propicia para elaborar experimentos factoriales e interpretarlos con mapas de resistencia al estilo RAMCODES.

Condiciones de hidratación y sobrecarga

Además de todas estas consideraciones, en el ensayo de CBR se pueden variar tanto la condición de hidratación, como el número de sobrecargas anulares.

Para ASTM, la condición de hidratación por defecto es la de 4 días de inmersión, a menos que la agencia o especificación solicite una diferente, como por ejemplo «tal como se compactó», o la llamada «humedad de equilibrio». La de 4 días es también la condición más utilizada en todo el mundo; inclusive hay especificaciones que la requieren expresamente (independientemente de que el suelo no vaya a estar en esa condición durante la vida útil del pavimento o estructura civil).

ASTM dice que el número de sobrecargas, que es un máximo de tres, deben utilizarse según el nivel de confinamiento al que se estime vaya a tener el suelo en la estructura. El número mínimo es una.

Uso del ensayo

El CBR es un ensayo que se puede utilizar para evaluar y diseñar. Se evalúan subrasantes o superficies de colocación de estructuras. Por otra parte, se diseñan suelos para ser utilizados como materiales de base y subbase de pavimento, o para rellenos estructurales. En el siguiente artículo se profundiza más sobre esta diferencia de criterios para utilizar el CBR. (http://blogramcodes.blogspot.com/2012/07/cbr-y-la-diferencia-entre-evaluar-y.html).

Limitaciones del ensayo

La siguiente es una lista no exhaustiva de limitaciones que tiene el CBR y que suscitan la mayoría de las críticas a este ensayo:

1. El valor de CBR no comporta, per se, un parámetro geomecánico, aunque está asociado a múltiples correlaciones y métodos semiempíricos de diseño de pavimentos.
2. Durante el ensayo bajo condición de 4 días de inmersión no es posible controlar el grado de saturación del suelo. El espécimen es sacado del agua y dejado escurrir por 15 minutos antes de ser ensayado. Este escurrimiento incrementa la succión en el suelo de forma descontrolada, lo que da lugar a resultados sesgados.
3. La gráfica densidad versus CBR recomendada en el procedimiento ASTM para obtener el CBR de diseño del suelo no es, por definición, una curva de diseño. Por tanto, en el sentido estricto, no debería ser usada para diseñar el suelo compactado. De hacerse se obtendrían resultados sesgados ya que no hay forma de asegurar que todos los especímenes pertenecientes a la gráfica tienen el mismo grado de saturación.

Formas de superar estas limitaciones

• Para convertir el CBR en módulo elástico se puede analizar como un ensayo de placa a escala. Esto es válido tanto para la versión de laboratorio como la de campo. Esto se explica en detalle en el siguiente artículo (http://blogramcodes.blogspot.com/2012/07/convirtiendo-el-criticable-cbr-en-el.html). Con este procedimiento se superaría la primera limitación.
• Se debe evitar a toda costa el ensayo bajo cuatro días de inmersión pues no es posible controlar el grado de saturación del suelo. Para ver esto en detalle por favor lea el siguiente artículo (http://blogramcodes.blogspot.com/2012/07/por-que-desconfiar-del-cbr-4-dias.html).
• Para hacer propiamente curvas de diseño con el ensayo CBR se recomienda utilizar el procedimiento RAMCODES y el software SoilDesigner, tal como se explica en el siguiente artículo (http://blogramcodes.blogspot.com/2012/04/tres-formas-de-disenar-un-suelo.html)

El comentario final es que, aún siguiendo la norma ASTM, teniendo la competencia del mejor laboratorista, los equipos nuevos y recién calibrados, y dejando de un lado las variaciones propias del ensayo como proceso estocástico, un mismo suelo puede tener tantos valores de CBR como condiciones de ensayo se tengan. Esta afirmación es lo suficientemente fuerte para provocar una intensa polémica, y la cantidad de información es tal que es necesario tiempo para digerir esta idea poco a poco. Aquí les dejo estos dos artículos que explican con extensión y soportan técnicamente esta afirmación.

http://blogramcodes.blogspot.com/2012/07/cuantos-cbr-puede-tener-un-mismo-suelo.html

http://blogramcodes.blogspot.com/2012/07/cuantos-cbr-tiene-un-suelo-parte-ii.html

El comprender muy bien estos conceptos les podrá permitir ahorrar tiempo y dinero en la construcción con suelos compactados, tal como se explica en este artículo  http://blogramcodes.blogspot.com/2012/07/como-ahorrar-tiempo-y-dinero.html

Confío en que este artículo les sea de utilidad.

Freddy J. Sánchez-Leal
@ramcodesCEO