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Introducción
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. 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 variaciones6.
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. 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, 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 Gerena10, 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 pobreza11.
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. 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 compactados9, 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 pavimentos13, manual de ensayo de materiales14, método de ensayo estándar para el uso de PDC en estructuras de pavimentos15.
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. 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 confiable16. 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 Valencia18, 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 |
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 determinada17.
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 Contreras19 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 Holguín20, 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 Pérez21 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 %.
