8.102.14 ENSAYO PLACA DE CARGA NO REPETIDA. MC.V8.102.14

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1.- Alcance

Este método trata el procedimiento de ensayes de placa de   carga estática no repetida sobre subrasantes, capas de pavimento flexibles y suelos, tanto en estado natural como compactados, con objeto de proporcionar información para su uso en evaluación y diseño de pavimentos de tipo rígido o flexible de carreteras y aeropuertos.

2.- Referencias

• *El Método 8.102.14 (LNV 98) es una adaptación de la norma AASHTO T 222 – 81.

3.- Aparatos para determinar Placa de Carga no Repetida

Equipos de Ensaye en Terreno. El equipo necesario para ensayes en terreno, es el siguiente:

• Sistema de reacción, como un camión o remolque o una combinación de ambos; un marco anclado, u otra estructura pesada con suficiente masa para producir la reacción deseada sobre la superficie por ensayar.

El peso muerto por emplear será de a lo menos 12 Mg. Los puntos de apoyos (ruedas en caso de los vehículos) deberán estar a lo menos a 2,5 m de la circunferencia de la placa de carga de mayor diámetro usada.

• Conjunto hidráulico de carga con dispositivo de apoyo esférico, capaz de aplicar y retirar la carga en incrementos. La gata deberá tener la capacidad suficiente para aplicar la carga máxima necesaria y estar equipada con un medidor calibrado con precisión suficiente para indicar la magnitud de la carga aplicada.
• Un juego de placas de ensaye circulares de acero, de no menos de 25 mm de espesor, confeccionadas de modo de poder disponerse en forma piramidal para asegurar su rigidez y de diámetros que varíen entre 150 y 760 mm (6 a 30”). Los diámetros de las placas adyacentes en  la disposición piramidal no deberá exceder los 150 mm. Placas de aleación de aluminio de 40 mm de espesor pueden ser usadas en lugar de las placas de Acero.

Nota 1: Se recomienda un mínimo de cuatro placas de diferentes tamaños para ensayes con fines de evaluación y diseño de pavimentos. Para evaluar únicamente, se puede usar una placa simple que proporcione un área igual a la de contacto del neumáticos y que corresponde a la combinación más crítica de carga por rueda y presión de inflado que pueda considerarse. Con objeto de obtener información referente a la variación del soporte (por ejemplo la determinación del soporte relativo de un terreno a través de un período anual) puede emplearse una placa simple, cualquiera de las indicadas.

• Tres o más diales micrométricos:, graduados en unidades de 0,025 mm (0,001”) y capaces de registrar una deflexión acumulada de a lo menos 25 mm u otro aparato equivalente para medir deflexiones.
• Una viga porta dial sobre la que se montan los diales micrométricos. La viga se compone de un tubo o cañería de 60 mm de diámetro o de un ángulo de acero de 75 x 75 x 6 mm o equivalente, de un largo mínimo de 4,75 m. Debe apoyarse en soportes ubicados a más de 2,0 m del borde de la placa de ensaye o rueda más cercana, o soporte. El sistema completo de medición de deflexión debe protegerse adecuadamente de los rayos directos del sol.
• Equipos varios, incluyendo un nivel de burbuja para preparar la superficie por ensayar, así como las herramientas necesarias para operar el equipo y cortar una probeta de suelo no perturbado en un anillo de ensaye de consolidación. Balanzas, hornos y diversas herramientas para hacer determinaciones del contenido de humedad.

Equipos de Ensaye en Laboratorio. Un consolidómetro.

4.- Procedimiento de Ensaye para determinar Placa de Carga  no Repetida

4.1 Preparación del Area de Ensaye. Donde deba realizarse un ensaye de carga no confinado, despeje el área de suelo a ser ensayada hasta la cota deseada de la superficie subrasante. El área despejada deberá ser a lo menos el doble del diámetro de la placa para eliminar sobrecargas o efectos de confinamiento. Si la subrasante va a ser construida con material de relleno, construya un terraplén de prueba de por lo menos 0,75 m de altura, usando el mismo material a emplear en el relleno, compactado con el contenido de humedad y a la densidad que se requiera para la construcción. Retire del área a ser ensayada cualquier material suelto y déjela nivelada.; tenga mucho cuidado en no perturbar el suelo en el área de ensaye, especialmente en caso de materiales granulares.

• Para ensayes confinados, el diámetro del área circular de excavación deberá ser el suficiente para que permita acomodar la placa de ensaye seleccionada.
• Centre cuidadosamente la placa del diámetro seleccionado bajo el dispositivo de reacción. Acomode las placas de diámetros menores restantes concéntricas con y sobre la placa principal; ajuste el nivel de la placa de ensaye con una capa delgada de arena y yeso o arena fina, usando la mínima cantidad de material necesario para lograr un apoyo uniforme. Para prevenir pérdidas de humedad del terreno durante la prueba de carga, cubra el terreno expuesto hasta 2 m de la circunferencia de la placa de ensaye con plástico o papel impermeable.

4.2 Disposición de Elementos de Ensaye. Apoye la placa soportante de 760 mm de diámetro sobre la arena o yeso; gire y mueva la placa sucesivamente para proporcionar un apoyo uniforme. Centre las placas de 610 mm y 457 mm de diámetro sobre la placa de 760 mm de diámetro y centre la gata hidráulica sobre la placa de 457 mm de diámetro.

• Si es necesario suplir, arme un dispositivo (cajón) entre la placa superior y la gata. Si se usa un anillo de acero para medir la carga, colóquelo entre la gata y la rótula, la que a su vez, se apoya contra el dispositivo de reacción de carga. Por razones de seguridad no deben emplearse suples entre la rótula y el dispositivo de reacción. El dispositivo de reacción de carga debe ser lo suficientemente largo de modo que sus soportes queden a lo menos a 2,5 m de la placa soportante. Una viga de acero entre dos camiones cargados proporciona un buen dispositivo de reacción.
• Use tres diales micrométricos para medir la deformación del suelo bajo la acción de la carga. Coloque estos micrómetros de modo que sus vástagos queden apoyados sobre la placa de 760 mm de diámetro, a no más de 6 mm del borde exterior y dispuestos a 120° unos de los otros. Asegure los micrómetros a una estructura cuyos soportes estén a lo menos 2 m del borde de la placa de ensaye.

4.3 Asentamiento del Equipo. Emplear uno de los siguientes procedimientos iniciales:

• El procedimiento de asentamiento N° 1 consiste en apoyar el sistema de carga y la placa soportante mediante la aplicación de una carga de 3,2 kN (7 kPa), cuando el espesor de diseño del pavimento sea menor que 380 mm o una carga de 6,4 kN (14 kPa), cuando el espesor de diseño del pavimento sea de 380 mm o más. Deje la carga de apoyo hasta que prácticamente se haya producido la deformación total. Luego tome una lectura en los tres diales micrométricos, los cuales se registran como la lectura “cero”; la carga de apoyo también es considerada como carga “cero”. Se puede emplear una carga cíclica, menor a la carga de asentamiento, para asegurar un buen apoyo de los aparatos y de la placa de ensaye.
• El procedimiento de asentamiento N° 2 consiste en que después que el equipo haya sido instalado adecuadamente, con toda la carga muerta (gata, placas, etc.) actuando, se asienta la placa de ensaye y el conjunto con una rápida aplicación y descarga de una carga suficiente para producir una deflexión de no menos de 0,25 mm y no mayor que 0,50 mm, indicada por los diales. Cuando las agujas de los diales se estabilicen, luego de la descarga, se reasientan las placas con la aplicación de la mitad de la carga registrada que produjo la deflexión entre 0,25 mm y 0,50 mm. Cuando las agujas de los diales se hayan estabilizado nuevamente, ajuste cuidadosamente cada dial a su marca “cero”.

4.4 Procedimiento de Carga. Sin retirar la carga de asentamiento, prosiga con los procedimientos de aplicación de carga indicados en 4.3.

• En el procedimiento de aplicación de carga N° 1, aplique las cargas a una velocidad moderada en incrementos uniformes. La magnitud de cada incremento de carga será la que permita registrar  un número suficiente de puntos de carga – deflexión (no menos de seis), de modo de poder trazar con precisión una curva carga – deflexión. Después que cada incremento de carga ha sido aplicado, mantenga hasta lograr una razón de deflexión de no más de 0,25 mm por minuto, para tres minutos consecutivos. .

Registre la deflexión total, después disminuya la cRegistre la carga y las lecturas finales para cada incremento de carga; continúe este proceso hasta obtener la deflexión total deseada o hasta que alcance la capacidad de carga del equipo, lo que ocurra primero. En este punto mantenga la carga hasta que el aumento de la deflexión no exceda a 0,025 mm por minuto durantearga hasta el valor empleado para ajustar en cero los diales y mantenga esta carga hasta que la razón de recuperación no exceda 0,025 mm para tres minutos consecutivos. Registre la deflexión a la carga de ajuste “cero”.

Promedie cada conjunto de lectura y registre ese valor como la lectura del asentamiento  promedio.

• En el procedimiento de aplicación de carga N° 2, aplique dos incrementos de carga de 16 kN (35 KPa) en cada incremento, manteniéndola hasta que la razón de deformación sea inferior a 0,025 mm por minuto. Lea los tres diales micrométricos al final del proceso en cada incremento de carga. Continúe hasta completar los 32 kN (70 kPa) de carga; calcule la deflexión promedio, determinando el movimiento total entre “cero” y 70 kPa incrementados para cada dial.

4.5 Módulo de Reacción no Corregido. Calcule el valor de k_u (módulo de reacción del suelo no corregido), usando la siguiente fórmula:

Si el valor de k_u es menor que 56, el ensaye se considera terminado y la carga puede ser retirada. Si el valor de k_u fuera 56 o más, aplique incrementos de carga adicionales de 16 kN (35 kPa) hasta que se alcance un total de 96 kN (210 kPa), permitiendo que cada incremento de carga permanezca hasta que la razón de deformación sea menor de 0,025 mm por minuto. Lea los tres diales micrométricos al final del proceso en cada incremento de carga.

4.6Muestreo de Suelo. Obtenga una muestra no perturbada del material de fundación para ensayes de laboratorio que determine la corrección por saturación que se debe aplicar al valor del ensaye del terreno. La muestra no perturbada debe ser lo suficientemente grande como para obtener dos probetas para el consolidómetro por lado (por ejemplo, a la misma elevación). Tome la muestra en un recipiente adecuado para sellar y preservar el contenido de humedad hasta que los ensayes de corrección en laboratorio puedan realizarse. Cuando el ensaye de placa sea realizado directamente sobre una subrasante de material cohesivo, obtenga la muestra no perturbada de la fundación a la misma cota a la que se efectúa el ensaye, pero a un costado más bien que debajo de la placa. Cuando el ensaye se ejecuta en un material de base granular que descansa sobre un material cohesivo y cuando el espesor de la capa granular sea menor que 1,90 m, tome la muestra inalterada del material cohesivo en la parte inferior de la capa granular.

4.7 Temperatura. Con un termómetro suspendido cerca de las placas de ensaye, lea y registre la temperatura ambiente cada media hora.

5.-Expresion de Resultados

5.1 Curva Carga – Deformación. Cuando el valor k_u, calculado en 4.5 sea inferior que 56 MPa/m no es necesario trazar la curva carga – deformación. Sin embargo, cuando el valor k_u es igual a 56 MPa/m o superior, es necesario trazar la curva carga – deformación y corregirla, debido a efectos tales como asentamiento deficiente de las placas, comportamiento carga – deformación no lineal o falla por corte. La carga unitaria (kPa) sobre la placa se dibuja en función de la deflexión promedio de cada incremento de carga; la deflexión se obtiene de las lecturas de cada dial entre “cero” y el final de cada incremento de carga. Cuando se promedian las tres lecturas de diales, los valores deben ser examinados cuidadosamente para asegurarse que resulta un promedio razonable. Si la relación carga – deformación corresponde a una línea recta, que no pasa por el origen, corrija la curva como muestra la Lámina 8.102.14 A. Generalmente, la curva carga – deformación se aproximará a una línea recta entre las cargas unitarias de 70 y 210 kPa. La corrección consiste en dibujar una línea recta, paralela a la porción recta de la curva trazada y que pase por el origen; se requiere el buen criterio del especialista cuando se corrige la curva carga – deformación. Si la curva no es lineal en toda su extensión, base la corrección de la línea recta en la pendiente promedio de la curva, por medio de a lo menos tres puntos en la región de la curva que tenga menor curvatura.

5.2 Cálculo del Módulo de Reacción k_u. Se puede calcular el módulo de reacción no corregido del suelo k_u con los datos de terreno usando la fórmula:

Cuando la curva carga – deformación es innecesaria como se indica en 5.1, la deflexión promedio es el promedio de la deflexión total registrada en cada uno de los tres diales entre el “cero” y el término del incremento de carga. Si se requiere la curva carga – deformación, la deflexión promedio es el valor obtenido de la curva corregida para una carga de 70 kPa.

El valor de k_u calculado con la fórmula anterior debe ser corregido por flexión de las placas soportantes y por saturación del suelo como se indica en los párrafos que siguen:

5.3 Corrección por Flexión en las Placas. Aún cuando las placas soportantes se empleen agrupadas, se presenta cierta flexión que redunda en una mayor deflexión en el centro de la placa que en el borde donde se miden las deflexiones. Puesto que el módulo de reacción es realmente una medida del volumen desplazado bajo la carga, la menor deflexión medida en el borde resulta en un valor de k_u mayor que el que realmente existe. La magnitud de la flexión de la placa está relacionada solamente con la resistencia del suelo ensayado, por lo que, para un determinado valor de k_u, la corrección es siempre igual.

Esta corrección ha sido determinada por ensayes y se presenta por la curva en la Lámina 8.102.14B.

La corrección se efectúa entrando en la Lámina 8.102.14 B con el valor calculado de k_u en las ordenadas y proyectando horizontalmente hasta la intersección con la curva dibujada. El valor corregido del módulo de reacción del suelo (k_u) queda determinado proyectando verticalmente la intersección en la curva y leyendo su valor en las abscisas.

5.4 Corrección por Saturación del Suelo. El diseño de pavimento se basa generalmente en el módulo de reacción del suelo saturado. Como no es posible saturar el suelo en terreno previo al ensaye y rara vez éste se encontrará saturado en su estado natural, el valor del ensaye de terreno debe corregirse para estimar el valor si el suelo llegara a estar saturado.

La corrección por saturación no se requiere normalmente cuando se evalúan pavimentos de más de tres años. Los suelos no cohesivos son insensibles a la saturación, de manera que el ensaye de terreno en este tipo de suelos no requiere de la corrección por saturación.

El método de corrección por saturación que habitualmente se aplica, es una adaptación del ensaye  de consolidación. El ensaye de corrección debe realizarse con muestras no perturbadas del suelo del sitio del ensaye de terreno. En caso que el ensaye de terreno se ejecute sobre la superficie de una capa de material no cohesivo, pero que descansa sobre un material cohesivo, la corrección por saturación debe determinarse por ensayes con el material cohesivo.

El factor de corrección por saturación es la razón de deformación entre una probeta de consolidación con su contenido de humedad natural y la deformación de una probeta saturada, ambas bajo una presión de 70 kPa. Dos probetas de material inalterado se instalan en la celda del consolidómetro; una se ensaya con el contenido de humedad “in situ” y la otra se satura después de aplicar la carga de apoyo. Ambas probetas se someten a la misma carga de asentamiento, 7 ó 14 kPa, que fue usada en el ensaye de terreno (ver 4.3). Mantenga aplicada la carga de asentamiento sobre la probeta con el contenido de humedad natural hasta que se produzca toda la deformación, en ese momento realice la lectura “cero” del dial de deformación vertical.; sin retirar la carga de asentamiento, aplique una carga adicional de 70 kPa sobre la probeta y permita que se desarrolle la deformación completa; tome la lectura final del dial de deformación vertical.

Deje saturando la otra muestra en el consolidómetro bajo la carga de asentamiento de 7 ó 14 kPa. Una vez que la probeta esté saturada, se registra la lectura “cero”, luego sin retirar la carga de  asentamiento aplique una carga adicional de 70 kPa; mantenga esta carga sobre la probeta hasta que la deformación se haya completado, tras lo cual registre la lectura final del dial.

En ciertos tipos de suelos, se puede producir un hinchamiento bajo la carga de asentamiento al saturarse, Esto puede producir una extrusión del material por encima del anillo del consolidómetro, de modo que al aplicar la carga de 70 kPa, el material puede fluir sobre el anillo más bien que consolidarse, provocando resultados erróneos. Para prevenirlo, cuando se trabaja con suelos que experimentan hinchamientos o sospechosos de serlos, el anillo del consolidómetro no debe quedar completamente lleno con el suelo; se debe dejar una huelga en la cara superior de la probeta, generalmente 1,5 mm, para permitir el hinchamiento.

Cuando la probeta por saturar se rebaja para permitir el hinchamiento, debe también rebajarse la probeta por ensayar con contenido de humedad natural en igual cantidad, de manera que las alturas de las probetas sean similares al comienzo del ensaye.

La corrección por saturación será aplicada en proporción a la deformación de las dos probetas bajo una carga unitaria de 70 kPa, como sigue:

donde:

k        : Módulo de reacción del suelo corregido ( MPa/m).

k_u       : Módulo de reacción del suelo no corregido por saturación (MPa/m).

d        : Deformación de una probeta en consolidación con el contenido de humedad de terreno, bajo una carga unitaria de 70 kPa. ( mm.)

d_s       : Deformación de una probeta saturada en consolidación bajo una carga unitaria de 70 kPa. ( mm).

b      : Espesor del material granular (mm).

En ningún caso el valor de d/d_s a usar en la fórmula anterior debe ser mayor que 1,0. Esta fórmula es aplicable para el cálculo del valor k corregido, haya o no una capa granular. Sin embargo, si el espesor de dicha capa es igual o mayor a 1,90 m, no es necesario introducir la corrección por saturación del suelo cohesivo subyacente.