INFORMACIÓN TÉCNICA

Comparación de la resistencia de California Bearing Ratio y Penetrómetro Dinámico de Cono en la subrasante Cusco-Paruro

Comparison of the resistance of California Bearing Ratio and Dynamic Cone Penetrometer in the Cusco-Paruro subgrade

De la Cruz Vega, Sleyther Arturo; Vega Neyra, Ccori Siello; Garrido Oyola, José Antonio; Pezo Morales, Pablo Adrian; Mejía Guerrero, Hans

De la Cruz Vega, Sleyther Arturo

sdelacruzv@ucv.edu.pe

Universidad Cesar Vallejo. Facultad de Ingeniería y arquitectura. Av. Alfredo Mendiola 6232, Los Olivos 15314. Lima Perú

Vega Neyra, Ccori Siello

Universidad Cesar Vallejo. Facultad de Ingeniería y arquitectura. Av. Alfredo Mendiola 6232, Los Olivos 15314. Lima Perú

Garrido Oyola, José Antonio

Universidad José Faustino Sánchez Carrión. Departamento de Ingeniería Civil. Av. Mercedes Indacochea N° 609. Huacho. Lima Perú

Pezo Morales, Pablo Adrian

Universidad Nacional de Barranca. Departamento de Ingeniería. Av. Toribio de Luzuriaga N° 376, Mz. J, Urb. La Florida, Barranca. Lima Perú

Mejía Guerrero, Hans

Universidad Cesar Vallejo. Facultad de Ingeniería y arquitectura. Av. Alfredo Mendiola 6232, Los Olivos 15314. Lima Perú

Journal of the Selva Andina Biosphere

Selva Andina Research Society, Bolivia

ISSN: 2308-3867

Periodicidad: Bianual

vol. 11, núm. 2, 2023

directoreditorbiosphere@gmail.com

Recepción: 01 Marzo 2023

Aprobación: 01 Septiembre 2023

Publicación: 01 Noviembre 2023

URL: http://portal.amelica.org/ameli/journal/71/714769714769006/

DOI: https://doi.org/10.36610/j.jsab.2023.110200150

Selva Andina Research Society

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Resumen: La complejidad de los suelos en el Perú radica en la diversidad de los climas, composición de los suelos y en el poco estudio por parte de los ingenieros. Este trabajo tuvo el objetivo comparar los resultados del ensayo de CBR y PDC en la subrasante Cusco - Paruro, utilizado en la apertura de trochas, pavimentos, carreteras y en otros estudios.

La población de estudio fue la subrasante acotada desde km 0+000 hasta 4+000, se extrajeron 4 especímenes para el estudio de CBR, en el laboratorio según MTC y en el estudio de PDC se realizaron 21 puntos de ensayo, cada 200 m en las progresivas ya marcados en la trayectoria anteriormente mencionada. Los resultados muestran que la subrasante está conformado por diferentes tipos de estratos, según sus propiedades físicas y mecánicas se clasifican según normas SUCS en: (CL), (GC), (SM), (SW-SM) y normas AASTHO en: A-6(9), A-6(0), A-2-4(0), A-1-a (0).

Los resultados del laboratorio concluyeron que la resistencia con PDC in situ y CBR de laboratorio para suelos finos es de 0.11 a 0.96 % con confiabilidad de 99.81 y 99.04 %, y en suelos granulares varían de 7.62 a 1.84 % con una confiabilidad menor de 92.38 y 98.16 %.

Palabras clave: Espécimen, progresiva, límite líquido, límite plástico, mecánica de suelos.

Abstract: The complexity of soils in Peru lies in the diversity of climates, soil composition and the lack of study by engineers. The objective of this work was to compare the results of the CBR and PDC test on the Cusco-Paruro subgrade, used in the opening of trails, pavements, roads and other studies. The study population was the subgrade bounded from km 0+000 to 4+000, 4 specimens were extracted for the CBR study, in the laboratory according to MTC and in the PDC study 21 test points were performed, every 200 m in the progressives already marked in the aforementioned trajectory. The results show that the subgrade is made up of different types of strata, according to their physical and mechanical properties they are classified according to SUCS standards as: (CL), (GC), (SM), (SW-SM) and AASTHO standards as: A-6(9), A-6(0), A-2-4(0), A-1-a (0).

The laboratory results concluded that the resistance with in situ PDC and laboratory CBR for fine soils is from 0.11 to 0.96 % with reliability of 99.81 and 99.04 %, and in granular soils they vary from 7.62 to 1.84 % with a lower reliability of 92.38 and 98.16 %.

Keywords: Specimen, progressive, liquid limit, plastic limit, soil mechanics.

Introducción

Los proyectos de inversión en infraestructura vial, son trascendentales en el desarrollo interno del país 1 , sin embargo, en la actualidad existe una alta demanda de medios de transporte con problemas en su mantenimiento y conservación 2 . Con respecto a los diseños de pavimentos, estos se realizan para una vida útil de 20 a 30 años ³ -5 . En el cálculo del diseño se utilizan parámetros del CBR (California Bearin Ratio) o del PDC (penetrómetro dinámico del cono) para determinar el esfuerzo al corte o resistencia, sin considerar sus amplias variaciones 6 .

En la actualidad, existen normas nacionales e internacionales que permiten estimar el valor CBR, siendo la ASTM D1883 utilizada para muestras alteradas 7 , la INV E 169-13 para CBR in situ 8 , entre otros. 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 6951-03 9 , pero 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. Así mismo, Osorio Martinez & Casas Gerena 10 , mencionan que es necesaria la recopilación de datos de campo de ensayos in situ de PDC y resultados de CBR para mejorar la confiabilidad en la evaluación de los suelos para pavimentos.

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. Las cuales, bien desarrolladas reducen las brechas de distancias entre regiones, con un fin de incluir al mercado nacional con otros, a nivel de países y regiones, permitiendo el crecimiento económico y reduciendo la tasa de pobreza 11 .

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 diagonales 12 . Estos principales problemas son producto de un mal diseño de pavimento, y de los incorrectos ensayos realizados en los suelos de la base y sub-base que transmite la carga al suelo.

Si bien se utiliza el PDC para estimar la resistencia en el lugar de los suelos inalterados o compactados 9 , el ensayo que en mayor cantidad se emplea es el CBR, y comparando los dos ensayos se observan variaciones en estos parámetros.

El objetivo de la investigación fue comparar los resultados del ensayo de CBR y PDC en la subrasante Cusco-Paruro.

Materiales y métodos

La investigación fue ejecutada de enero a diciembre de 2022, realizando ensayos en la trayectoria de estudio de suelos, permitió obtener datos de la subrasante en cada progresiva de estudio, en laboratorio evaluando y cotejando resultados de las pruebas PDC en el sitio y CBR en laboratorio.

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. La muestra fue 21 pruebas, cada 200 m en las progresivas ya marcadas a lo largo de los 4 km de estudio.

Se realizó el recorrido e inspección preliminar de la trayectoria de estudio detallando características del terreno, zonas altas y bajas, zonas con fallas si las hubiera, acompañados con instrumentos como winchas, brújula y odómetro.

La extracción del espécimen de los suelos de la subrasante a una profundidad de 1.5 m aproximadamente, esta variará a más, si son lugares con material de relleno, o terrenos no consolidados en la vía Cusco-Paruro, se pudo observar un terreno de poco corte, perfilado, y poco o ningún mantenimiento de dicha ruta de transpirabilidad, en el muestreo se realizó en las cotas de exploración para la extracción de muestras en la vía Cusco-Paruro.

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. Para los ensayos en el laboratorio se apoyó con las especificaciones técnicas del manual de carreteras sección suelos y pavimentos 13 , manual de ensayo de materiales 14 , método de ensayo estándar para el uso de PDC en estructuras de pavimentos 15 .

La norma ASTM D6951-03 15 , 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. En las pruebas realizadas de los puntos, o progresivas ya establecidas se analizarán con el método y técnica de ensayo PDC en sitio, es más sencillo y práctico a la hora de realizar en campo, teniendo resultados inmediatos sin la necesidad de ir al laboratorio, lo contrario sucede con el CBR de laboratorio, requiere una suma delicadeza desde el momento de extracción, transporte hasta la experimentación.

Con las 2 pruebas se consiguió la resistencia a la penetración del suelo, experimentado ya sea en el lugar o en laboratorio, en PDC in situ se halla la capacidad estructural del suelo estudiado, al igual que el CBR determino la capacidad resistente de la subrasante en el diseño de cualquier pavimento así mismo, su porcentaje de densidad seca.

Resultados

Se realizaron 4 exploraciones utilizando PDC, que es un método versátil y confiable 16 . Estás fueron comparados con el CBR de laboratorio, sus características y propiedades, del distrito de San Jerónimo zona Sur Este de la ciudad del Cusco (Tabla 1).

Tabla 1

Coordenadas UTM del lugar de estudio

Coordenadas
Exploración | Latitud | Longitud | Cota
C₁ | 8499676 N | 188397 E | 1
C₂ | 8498025 N | 188246 E | 9
C₃ | 8497043 N | 188188 E | 14
C₄ | 8496489 N | 188202 E | 19

C calicata.

La Tabla 1 presenta las coordenadas de la ubicación de los puntos de ensayo de las calicatas C₁, C₂, C₃ y C₄.

Tabla 2

tabulación de los 4 puntos del sondeo de CBR estimado por PDC

Resumen de las estimaciones de CBR in situ
Profundidad (mm) | Calicata 1 | Calicata 2 | Calicata 3 | Calicata 4
Í-PDC | CBR | Í-PDC | CBR | Í-PDC | CBR | Í-PDC | CBR
0 - 100 | 50 | 3.65 | 10 | 22.15 | 4.3 | 57 | 3.1 | 69.55
100 - 150 | 25 | 7.93 | 12.5 | 17.25 | 6.3 | 37.16 | 3.3 | 76.67
Prom. de CBR en 30 puntos | 6.51 |  | 17.96 |  | 32.78 |  | 74.76

I-PDC Índice del PDC (mm/golpe), Prom. Promedio, CBR California Bearin Ratio.

Discusión

El tipo de suelo que presenta la C₁ es arcilloso de baja plasticidad con arena (CL), A-6 (9), se observa que el valor de la resistencia del ensayo PDC in situ se obtuvo 6.51 %, por otro lado la resistencia de CBR en laboratorio al 100 % de MDS 6.4 %, haciendo una comparación entre estos 2 ensayos la variación del índice de CBR fue en 0.11 %, la correlación de ambos ensayos del PDC en campo y CBR de laboratorio tiene una confiabilidad de 99.81 %, ambos ensayos se realizaron en la C₁ ubicado en el lado izquierdo de la vía Cusco-Paruro en la progresiva km 0+200, haciendo una comparación si guarda una relación con lo que afirma la investigación de Valencia 18 , ya que en este estudio se llegó a la conclusión de que el porcentaje de confiabilidad es de 95 %.

Tabla 3

Tabulación de los 4 ensayos de CBR de laboratorio

Sondeo | Límites de Atterberg | Clasificación de suelos | Compactación | CBR de Laboratorio
Calicata | Profundidad (m) | Límite líquido (%) | Limite Plástico (%) | Índice Plástico (%) | Humedad Natural (%) | AASHTO | SUCS | Humedad Óptima | Densidad Máxima (g cm-3) | CBR al 100%
C₁ | 1.5 | 23 | 10 | 13 | 13.2 | A-6(9) | Arcilla de baja plasticidad con arena | 14.3 | 1.684 | 6.4
C₂ | 1.5 | 21 | 9 | 12 | 10.8 | A-6(0) | Grava arcillosa con arena | 14.4 | 1.954 | 17
C₃ | 1.5 | NP | NP | NP | 10.3 | A-2-4(0) | Arena limoso con grava | 10.6 | 2.005 | 40.4
C₄ | 1.5 | NP | NP | NP | 10.7 | A-1-A(0) | Arena bien gradada con limo y grava | 8.2 | 2.68 | 76.6

Tabla 4

Resultados de penetración vs número de golpes PDC

Número de golpes | Penetración acumulada (mm) | Número de golpes acumulados
| 0 | 0
2 | 50 | 2
1 | 100 | 3
2 | 150 | 5
2 | 200 | 7
2 | 250 | 9
2 | 300 | 11
2 | 350 | 13
1 | 400 | 14
1 | 450 | 15
1 | 500 | 16
1 | 550 | 17
2 | 600 | 19
1 | 650 | 20
2 | 700 | 22
2 | 750 | 24
2 | 800 | 26
1 | 850 | 27
2 | 900 | 29
2 | 950 | 31
2 | 1000 | 33
2 | 1050 | 35
2 | 1100 | 37
1 | 1150 | 38
1 | 1200 | 39
2 | 1250 | 41
2 | 1300 | 43
2 | 1350 | 45
2 | 1400 | 47
1 | 1450 | 48
2 | 1500 | 50

Figura 1
Curva PDC, cambio de cada estrato en cada capa del suelo

En la Figura 1, para la calicata 1, se observa distintos estratos de suelo en relación a la profundidad que este se va introduciendo, por otra parte, la distancia de cada espesor en el sondeo se aprecia espesores de 0-40, 40-65, 65- 115 y 115-150 cm, es importante para penetrar una capa de suelo a una altura determinada 17 .

Figura 2
Diagrama estructural en función a índice de PDC

La Figura 2 muestra la calicata 1, detallamos la uniformidad del estrato: 0-15, 30-90, 110-150 cm, se observa a una profundidad datos repetitivos, estas ya no se consideran en el estrato, son estratos con mismas humedades, densidades y ciertas valoraciones del suelo, la variación en los intervalos mencionados son cambios o alteraciones.

Tabla 5

Comparación del CBR in situ y en laboratorio

Calicata | Tipo de suelo | CBR de Laboratorio | PDC (CBR in situ) | % | Confiabilidad (%)
CBR al 100 % | CBR al 100 %
C₁ | CL-A-6 (9) | 6.4 | 6.51 | 0.11 | 99.81
C₂ | GC-A-6 (0) | 17 | 17.96 | 0.9 | 99.04
C₃ | SM- A-2-4 (0) | 40.4 | 32.78 | 7.62 | 92.38
C₄ | SW-SM- A-1-a (0) | 76.6 | 74.76 | 1.84 | 98.16

La comparación de resultados en suelo grava arcillosa con arena (GS), A-6(0), se puede observar que el valor de la resistencia con el ensayo (PDC) in situ fue 17.96 %, por otro lado la resistencia de CBR en laboratorio al 100 % de MDS 17.00 %, haciendo una comparación entre estos 2 ensayos la variación del índice de CBR fue 0.96 %, la correlación de ambos ensayos del PDC en campo y CBR de laboratorio tiene una confiabilidad de 99.04 %, haciendo una comparación si guarda una relación con lo que afirma la investigación de Cabrales Contreras 19 ya que en este estudio se estableció la correlación entre las pruebas de CBR y el PDC, obteniendo ensayos similares a los realizados con una misma medida tanto de profundidad, diámetro.

La comparación de resultados en suelo arena arcillosa con grava (SM), A-2-4 (0) se pudo observar que el valor de la resistencia con el ensayo (PDC) in situ fue 32.78 %, y por otro lado su resistencia de CBR en laboratorio al 100 % de MDS fue 40.4 %, haciendo una comparación entre estos 2 ensayos la variación del índice de CBR fue 7.62 %, la correlación de ambos ensayos del PDC en campo y CBR de laboratorio tiene una confiabilidad de 92.38 % y guarda una relación con lo que afirma la investigación de Bazán Galarreta & Prado Holguín 20 , ya que en este estudio se llegó a la conclusión que al analizar la similitud se puede asegurar la igualdad y proximidad de las muestras estudiadas ya que se obtuvo 98.9 % de confiabilidad.

La comparación de resultados en suelo arena bien gradada con limo y grava (SW-SM), A-1-a (0) se puede observar que el valor de la resistencia con el ensayo PDC in situ se obtuvo 74.76 %, y por otro lado su resistencia de CBR en laboratorio al 100 % de MDS fue 76.6 %, haciendo una comparación entre estos 2 ensayos la variación del índice de CBR fue 1.84 %, la correlación de ambos ensayos del PDC en campo y CBR de laboratorio tiene una confiabilidad 98.16%, se relaciona con lo que afirma la investigación de Llanos Sánchez & Reyes Pérez 21 ya que en esta investigación se logró comparar los resultados en suelo arena limosa (SM) mediante los ensayos de PDC in situ y CBR de laboratorio, estos datos fueron confiables y aceptables al 99 %.

La conclusión de la comparación de la resistencia de CBR y PDC es que para suelos finos como CL (arcilla limosa) y GC (grava arcillosa) la variación es menor a 1%, con confiabilidad de 99.04 %, con respecto a los suelos SM (arena limosa) y SW-SM (arena bien graduada y arena limosa) tiene variaciones entre 1 a 7% y confiabilidad menor del 92 %.

Literatura Citada

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Notas

Fuente de financiamiento: El presente trabajo de investigación fue financiado por los autores.

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Conflictos de intereses: Los autores declaramos que no existe conflicto de interés con la investigación realizada.

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Agradecimientos: Agradecemos a la Universidad Cesar Vallejo por permitir y apoyarnos en la investigación.

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Consideraciones éticas: El presente trabajo utilizó la información con responsabilidad, veracidad, justicia, protección al medio ambiente, principio de beneficencia y no tiene efectos negativos, daños físicos ni psicológicos.

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Limitaciones en la investigación: Los autores señalan que no hubo limitaciones en la investigación.

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Contribución de los autores: De la Cruz Vega Sleyther Arturo, aportó en la conceptualización, diseño. Ccori Siello Vega Neyra, aportó en los ensayos de laboratorio, en los estudios de campo, análisis estadísticos. Garrido Oyola José Antonio, aporto en la metodología, enfoque, instrumentos de recolección de datos. Hans Mejía Guerrero, Pezo Morales, Pablo Adrian, participaron en la estructura, ensayos de laboratorio.

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ID del artículo: 129/JSAB/2023

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Nota del Editor: Journal of the Selva Andina Biosphere (JSAB). Todas las afirmaciones expresadas en este artículo son únicamente de los autores y no representan necesariamente las de sus organizaciones afiliadas, o las del editor, editores y los revisores. Cualquier producto que pueda ser evaluado en este artículo, o la afirmación que pueda hacer su fabricante, no está garantizado o respaldado por el editor.

Notas de autor

* Dirección de contacto: Sleyther Arturo De la Cruz Vega Universidad Cesar Vallejo. Facultad de Ingeniería y arquitectura. Av. Alfredo Mendiola 6232, Los Olivos 15314. Lima, Perú. E-mail: sdelacruzv@ucv.edu.pe

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