ejemplo diseño de pavimento flexible itt unam (1)

1. ESTUDIO GEOTÉCNICO

1.1 GENERALIDADES

1.1.1 INTRODUCCIÓN

Debido al desgate y deterioro del pavimento existente por el aumento de

tránsito vehicular en la ciudad de Tuxtepec, Oaxaca; específicamente en el

Boulevard Benito Juárez y Antonino Fernández, se proyecta la obra:

“MODERNIZACIÓN A NIVEL PAVIMENTO DEL BOULEVARD ANTONINO

FERNÁNDEZ DE LA CIUDAD DE TUXTEPEC, EN EL ESTADO DE OAXACA”.

Por lo que se encomendó a este laboratorio el estudio geotécnico y el

diseño de los elementos estructurales del pavimento de esta vía de acceso

(4,335.86 mts), con el objeto de conocer las características estratigráficas y

propiedades mecánicas del subsuelo, con la finalidad de estar en condiciones de

orientar, proporcionar recomendaciones de construcción y proponer la estructura

del nuevo pavimento flexible y/o pavimento rígido.

1.1.2 JUSTIFICACIÓN

En la actualidad el Boulevard Antonino Fernández (4,335.86 m), forma parte

integral y de gran importancia de la infraestructura vial de la ciudad de Tuxtepec,

Oax., y debido a que el pavimento flexible actual presenta un estado crítico de

servicio, se determinó la necesidad de realizar un proyecto de modernización y

consecuentemente el presente “Estudio Geotécnico y diseño de pavimento”,

considerando que la construcción de la nueva estructura del pavimento sea

necesaria para soportar el tránsito de vehículos tanto de carga como de pasajeros.

El proyecto de Modernización a nivel pavimento de la zona pretende

específicamente mejorar las condiciones de la superficie de rodamiento y/o

cambiar la estructura del pavimento, puesto que ya existe un pavimento en

operación.

1.1.3 METODOLOGÍA

Las etapas para el desarrollo del estudio se resumen de la siguiente

manera:

Trabajo de campo: Esta etapa involucra todo lo relacionado con la

prospección, muestreo, inventario de procesos erosivos, recorridos de

grupo interdisciplinario que consta de geólogo, Geotecnista e ingeniero civil.

Trabajo de laboratorio: Una vez tomadas las muestras de campo, se llevan

al laboratorio con el fin de poder determinar con diferentes ensayos las

propiedades físicas y geomecánicas de los materiales de cada sitio

particular.

Análisis de tránsito: Esta etapa involucra la realización de conteo del

tránsito ubicando puntos representativos, durante un periodo de una

semana, en los cuales se recolectan datos de la cantidad de vehículos que

circulan y su correspondiente clasificación.

Diseño del pavimento flexible: Con la información de campo, los datos de

ensayo de laboratorio y el análisis de tránsito en condiciones actuales se

procede al diseño de pavimento, este análisis determinará las

características y los espesores que se requieren para garantizar el correcto

funcionamiento del mismo durante su vida útil.

1.1.4. OBJETIVOS

Determinar la estratigrafía del subsuelo del lugar, así como las propiedades

índice y mecánicas de los materiales que la constituyen.

Diseñar la estructura del pavimento flexible aplicando el Método de diseño

del Instituto de Ingeniería de la UNAM.

Realizar los estudios de los Bancos de materiales correspondientes para la

construcción de la estructura del pavimento.

Dar las recomendaciones del proceso constructivo del pavimento flexible.

1.1.6 LOCALIZACIÓN

El Municipio de San Juan Bautista Tuxtepec, Oax., se localiza al Noroeste

del Estado de Oaxaca, en los límites de éste y el Estado de Veracruz. Las

coordenadas geográficas en las que se encuentra ubicado son: al Norte 18 ° 05´,

al Sur 17° 48´ de Latitud Norte; al Este 95° 51´, y al Oeste 96° 08´ de Longitud

Oeste. La topografía del municipio es plana, estando en promedio 20 metros sobre

el nivel del mar. Las figuras 1 y 2 muestran el sitio donde se proyecta la

modernización del pavimento flexible.

Figura 1. Microlocalización del sitio en estudio

Boulevard Antonino Fernández

Boulevard Benito Juárez

Boulevard Antonino Fernández

PCA-03

KM 4+515.86

KM 119+780

KM 121+609.63

KM 0+180

1.2 ASPECTOS GEOLÓGICOS GENERALES

1.2.1 GEOLOGÍA REGIONAL

A nivel regional se tiene que la zona de estudio está conformada por

estructuras de régimen frágil y representado por fracturas. El área de estudio está

relacionada con la evolución tectónica del Golfo de México y está íntimamente

ligada con la apertura del mismo.

La unidad sedimentaria más antigua que aflora en la región corresponde a

la Formación Chinameca (JkKapCz-Lu) de edad Kimmerridgiano-Aptiano,

constituida por caliza pedernal y Lutita, se infiere que está cubierta

discordantemente por la formación Chicontepec (TpaLu-Ar) de edad Paleoceno,

constituido por areniscas y lutitas, esta a su vez es sobreyacida discordantemente

por la formación depósito (TmLu-TR) considerada de edad Mioceno Inferior,

conformada por Lutita, Toba y Arenisca. Está cubierta concordantemente por la

formación Encanto (TmLu-Ar) de edad Mioceno, constituida por una alternancia de

Lutita y Arenisca, cubriendo concordantemente a esta formación aflora la

formación Filisola (Tmar-Lu) de edad Mioceno superior formada por arena y Lutita.

Sobreyaciendo en forma discordante a esta se presenta la formación Jaltepec

(TplCgp-Ar) cuya edades considerada del Plioceno y está conformada por

conglomerado polimíctico y Arenisca. La formación Filisola también es cubierta

transicionalmente, por la formación Paraje Solo (TplAr-Lu) de edad Plioceno,

constituida por arenisca y Lutita; esta a su vez es sobreyacida concordantemente

por la formación Cedral (TplQptAr-Cgp) de edad Plioceno-Pleistoceno la cual está

formada por Arenisca y Conglomerado polimíctico. Las tres últimas formaciones

tienen también una relación de cambio lateral de facies.

1.2.2 GEOLOGÍA LOCAL

A nivel local y según visitas de campo, el trayecto de estudio está

conformado en general por una unidad estratigráfica, de rocas sedimentarias,

correlacionables con la Formación Chinameca (JkKapCz-Lu) de edad

Kimmerridgiano-Aptiano, constituida por caliza pedernal y Lutita. En la figura 3 se

muestra la geología local cercana al sitio de estudio.

Figura 3. Unidades geológicas regionales del sitio de estudio

Figura 4. Corte estratigráfico regional del sitio en estudio

Figura 5. Simbología de estratigrafía en carta geológica

1.3 INFORME GEOTÉCNICO

1.3.1 PROSPECCIÓN GEOTÉCNICA

La prospección Geotécnica se realizó por un grupo interdisciplinario de

amplia experiencia compuesto por:

Dos ingenieros civiles especialistas en vías terrestres

Un Geotecnista

Cuadrilla de perforación de 2 personas

Las labores de exploración e inspección del Boulevard Antonino Fernández

y la toma de muestras se realizaron el 3 Febrero de 2014. Para realizar la

exploración y conocer las características físicas y mecánicas del subsuelo del sitio

en estudio se proyectaron (3) perforaciones distribuidas en puntos representativos.

La prospección se llevó a cabo mediante la metodología del Pozo a Cielo

Abierto, por lo que los pozos se excavaron con equipo manual (pico y pala),

llevando la exploración hasta la profundidad máxima de 1.80 m. A cada muestra

se les realizo en campo una clasificación visual y al tacto, siendo etiquetadas para

su posterior identificación y finalmente transportadas al laboratorio para su

análisis. Durante los trabajos de exploración a cielo abierto no se detectó el

N.A.F. En el Anexo B al final del informe se presenta un anexo fotográfico, donde

se muestran los aspectos generales del Boulevard en estudio.

Tabla 1.Listado de pozos a Cielo Abierto realizados en el sitio de estudio

Sondeo Kilometraje Profundidad(m)

PCA-01 0+370 1.50

PCA-02 1+850 1.50

PCA-03 4+150 1.80

1.3.2 PRUEBAS DE LABORATORIO

Luego de realizada la inspección directa del terreno y con el fin de

determinar la estratigrafía del sitio se procedió a realizar una clasificación de los

suelos según el S.U.C.S, los parámetros que definen el comportamiento mecánico

de los diferentes estratos y la localización del Nivel de Aguas Freáticas; estos

parámetro se determinaron mediante la realización de los siguientes ensayos:

a) Clasificación visual y al tacto

b) Contenido natural de agua

c) Límites de Atterberg

d) Análisis granulométrico simplificado

e) Contracción Lineal

En base a estos ensayos se obtuvieron los resultados resumidos en las

tablas No. 2 a la tabla No. 4, además en el anexo A.1 se presenta gráficamente la

descripción de cada uno de los sondeos realizados.

Tabla 2. PCA-01 (km 0+370 lado centro)

PROF. (m) DESCRIPCION DEL MATERIAL CLASIF. S.U.C.S.

W (%) LIMITES DE

CONSISTENCIA (%) (%) DE

MATERIAL

0.00-0.11 Carpeta asfáltica

0.11-0.40 Grava limosa con arenas color café

rojizo (4/4)2.5YR GM 3.49

WL WP I.P. C.L.

N.P N.P N.P 0.00

G= A= F=

48.18 36.62 15.20

0.40-0.60 Arena limosa color rojo amarillento

(4/6)5YR SM 5.23

WL WP I.P. C.L.

25.40 19.77 5.63 5.00

G= A= F=

11.15 46.22 42.63

0.60-1.00 Arcilla arenosa de media plasticidad

color rojo amarillento (5/8)5YR CL 26.57

WL WP I.P. C.L.

43.28 18.31 24.97 11.00

G= A= F=

9.28 42.13 48.59

Tabla 3. PCA-02 (km 1+850 lado derecho)

Tabla 4. PCA-03 (km 4+150 lado derecho)

1.00-1.50 Arcilla arenosa de alta plasticidad

color rojo amarillento (5/8)5YR CH 29.07

WL WP I.P. C.L.

50.41 22.73 27.68 16.28

G= A= F=

13.13 20.35 66.51


W (%) LIMITES DE

CONSISTENCIA (%) (%) DE

MATERIAL


0.13-0.35 Grava limosa con arenas color café

rojizo (3/4)5YR GM 17.21

WL WP I.P. C.L.

N.P N.P N.P 0.00

G= A= F=

50.99 35.69 13.32

0.35-0.80 Grava arcillosa con arenas color rojo

amarillento (5/8)5YR GC 17.62

WL WP I.P. C.L.

38.23 15.98 22.25 8.10

G= A= F=

46.26 28.50 25.24

0.80-1.15 Arena limosa con grava color rojo

amarillento (5/8)5YR SM 17.48

WL WP I.P. C.L.

40.07 27.36 12.71 8.60

G= A= F=

24.71 27.76 47.53

1.15-1.50 Arcilla arenosa de media plasticidad color gris rojizo oscuro (4/1)2.5YR

CL 16.82

WL WP I.P. C.L.

38.20 22.05 16.15 6.00

G= A= F=

8.16 38.63 53.21


W (%) LIMITES DE

CONSISTENCIA (%)

(%) DE MATERIAL


0.08-0.20 Grava bien graduada con limo color

gris muy oscuro (3/1)5YR GW-GM 3.16

WL WP I.P. C.L.

N.P N.P N.P 0.00

G= A= F=

48.00 43.61 8.39

0.20-0.65 Grava bien graduada con limo color

café (4/2)7.5YR GW-GM 2.94

WL WP I.P. C.L.

N.P N.P N.P 0.00

G= A= F=

53.06 35.44 11.49

0.65-1.80 Arcilla arenosa de media plasticidad

color café rojizo (5/4)5YR CL 15.82

WL WP I.P. C.L.

32.46 19.55 12.91 6.38

G= A= F=

8.31 30.41 61.28

1.3.3 EVALUACIÓN GEOTECNICA DE LA ESTRUCTURA DEL

PAVIMENTO EXISTENTE

Para establecer la estratigrafía y conocer las propiedades índices de los

materiales que componen la estructura del pavimento existente y del terreno

natural sobre el que esta desplantado, se realizaron 3 sondeos exploratorios en el

km 0+180 al km 4+515.86 (Boulevard Antonino Fernández), mediante el

procedimiento de pozo a cielo abierto (P.C.A.) a diferentes profundidades.

La caracterización y evaluación del estado de los mismos, son mostradas

en las tablas No. 5 a la tabla No. 7.

Tabla 5. Evaluación del material existente en el PCA-01 (km 0+370 centro)

PROF. (m) Clasificación SUCS VRS (%) Límites de Atterberg

(%)


0.11-0.40 Grava limosa con arenas color café rojizo

(4/4)2.5YR 18.34

WL WP

N.P N.P

0.40-0.60 Arena limosa color rojo amarillento (4/6)5YR 13.67 WL WP

25.40 19.77

0.60-1.00 Arcilla arenosa de media plasticidad color

rojo amarillento (5/8) 11.47

WL WP

43.28 18.31

1.00-1.50 Arcilla arenosa de alta plasticidad color rojo

amarillento (5/8)5YR -

WL WP

50.41 22.73

Observaciones: -El material existente presenta características geomecánicas suficientes para utilizarse como suelo de

desplante del pavimento flexible. -El VRS es mayor al establecido por la norma N-CMT-1-01/02 -Los límites de Atterberg son menores al máximo establecido en la norma N-CMT-1-01/02 - Los resultados de las pruebas realizadas en este sondeo son mostrados en los anexos A.1 y A.3.

Tabla 6. Evaluación del material existente en el PCA-02(km 1+850 lado derecho)

Tabla 7. Evaluación del material existente en el PCA-03 (km 4+150 lado derecho)


(%)


0.13-0.80 Grava arcillosa con arenas color rojo

amarillento (5/8)5YR 17.89

WL WP

38.23 15.98

0.80-1.15 Arena limosa con grava color rojo

amarillento (5/8)5YR 13.67

WL WP

40.07 27.36


gris rojizo oscuro (4/1)2.5YR 11.47

WL WP

38.20 22.05

Observaciones: -El material existente presenta características geomecánicas suficientes para utilizarse como suelo de desplante del pavimento flexible. -El VRS es mayor al establecido por la norma N-CMT-1-01/02 -Los límites de Atterberg son menores al máximo establecido en la norma N-CMT-1-01/02 - Los resultados de las pruebas realizadas en este sondeo son mostrados en los anexos A.1 y A.3.


(%)


0.08-0.65 Grava bien graduada con limo color café

(4/2)7.5YR 18.34

WL WP

N.P N.P


café rojizo (5/4)5YR 11.47

WL WP

32.46 19.55

Observaciones: -El material existente presenta características geomecánicas suficientes para utilizarse como suelo de desplante del pavimento flexible. -El VRS es mayor al establecido por la norma N-CMT-1-01/02 -Los límites de Atterberg son menores al máximo establecido en la norma N-CMT-1-01/02 - Los resultados de las pruebas realizadas en este sondeo son mostrados en los anexos A.1 y A.3.

1.4. ESTUDIO DE CALIDAD DE BANCOS DE MATERIALES Con el propósito de conocer las características físicas de los materiales que

han de emplearse en la estructuración de la presente obra vial, se han realizado

los correspondientes Estudios de calidad, sobre las diversas fuentes de

aprovisionamiento de materiales, de acuerdo a los métodos de prueba que

establece la Normativa para la Infraestructura del Transporte de la Secretaría de

Comunicaciones y Transportes. En el anexo A.2 Se muestra la localización de los

bancos estudiados.

1.4.1 TERRENO NATURAL

Mediante los Pozos a cielo abierto se determinó que la estructura actual del

terreno está conformada por una capa de Grava limosa con arenas (GM), debajo

de esta Arena limosa (SM) y posteriormente Arcilla arenosa de media plasticidad

(CL). Así mismo mediante pruebas de campo se determinó que el peso

volumétrico es de 1,800 kg/m3 y estableciendo una relación con la prueba Porter

modificada variante N°II realizada en el laboratorio se estableció que el grado de

compactación en campo es de aproximadamente 94 % con un VRS del 11.47%,

así mismo con un nivel de confianza del 85% y una compactación del 90% el

es de 9.29%, siendo este el valor el que se tomará para efectos de diseño.

En el anexo A.3., se muestra con detalle los resultados del estudio de calidad

realizado.

1.4.2 SUB-RASANTE

Se realizaron ensayes del banco “Sumatra” ubicado a 8.5 km de la obra, el

cual es el más cercanos al sitio de construcción. Se determinó que este banco

por sí solo no cumplen con las especificaciones que marca la SCT para una

subrasante de calidad, por lo que fue necesario realizar ensayes para determinar

una mezcla que proporcionara los parámetros para cumplir con las

especificaciones dadas.

Acorde a los ensayes realizados, se determinó que la mezcla 80-20 (80%

de grava en greña y 20 % de limo no plástico) del banco “Sumatra” es la más

idónea para ser empleada como subrasante, que de acuerdo al SU.C.S. es una

Grava arenosa con limos color café claro (GW-GM), teniendo un Peso Volumétrico

Seco Máximo Compacto de 2,220 kg/m3, contenido de agua óptimo de 5.80% y

un Valor Relativo de Soporte crítico del 27.94% para un nivel de confianza del

85%. En el anexo A.4 se muestra con detalle los resultados de las pruebas

realizadas.

1.4.3 BASE

De acuerdo a los ensayes realizados, se determinó que la mezcla 90-10

(90% de grava cribada y 10% de limo no plástico) del banco “Sumatra” ubicado a

8.5 km de la obra es el más idóneo para ser empleado como Base, que de

acuerdo al S.U.C.S. es una Grava Arenosa Bien Graduada con limos color café

claro (GW-GM), que con el objetivo de que la estructura tenga mayor resistencia

se le deberá agregar un 2% de cemento Portland, por lo tanto esta mezcla tiene

un Peso Volumétrico Seco Máximo Compacto de 2,230 kg/m3, contenido de agua

óptimo de 6.20% y un Valor Relativo de Soporte Crítico del 115% para un nivel

de confianza del 85%. En el anexo A.5 se muestra con detalle los resultados de

las pruebas realizadas.

1.4.4 CARPETA ASFÁLTICA PARA MEZCLA EN CALIENTE

De acuerdo a los ensayes realizados, se determinó que la mezcla 25-25-50

(25% de grava semitriturada de ¾” a finos, 25% de arena cribada y 50% de

granzón) del banco “Sumatra” ubicado a 8.5 km de la obra es idónea para ser

empleada como carpeta asfáltica para mezcla en caliente, que de acuerdo al

SU.C.S. es una Grava arenosa bien graduada con finos color gris (GW), que al ser

mezclada con un 5.00% de cemento asfáltico , proporcionará una estabilidad de

9,908.1 N y un flujo de 2.50 mm. En el anexo A.6 se muestra con detalle los

resultados de las pruebas realizadas.

2. ESTUDIO DE TRÁNSITO, CAPACIDAD Y NIVELES DE SERVICIO

2.1 INTRODUCCIÓN

2.1.1 ALCANCE

Se presenta en este capítulo la información concerniente al análisis de

tránsito efectuado en el Boulevard Benito Juarez en el km 120+000 realizado del 7

al 9 de Marzo de 2015.

2.1.2 OBJETIVOS

Establecer el tránsito existente en el Boulevard Benito Juarez del km

119+000 al km 121+000

Establecer los volúmenes de tránsito existente y proyectado para los

diferentes vehículos

Obtener el número de ejes equivalentes de 8.2 toneladas a partir de los

volúmenes de tránsito proyectados.

2.2 TRABAJO DE CAMPO

Se presentan a continuación las generalidades del procedimiento empleado

para establecer la información requerida para el diseño del pavimento

concerniente al área estudiada y relacionada con la magnitud de las cargas

pesadas circulantes en la misma.

2.2.1 CATEGORIZACIÓN DE VEHÍCULOS

Para el diseño de pavimentos asfálticos según el Instituto de Ingeniería de

la UNAM se deberá considerar los siguientes vehículos:

Figura 6. Características(II-UNAM) de vehículos más frecuentes en

Carreteras mexicanas del tipoA y B ,con pavimento asfáltico. Cargas legales

publicadas en el Diario Oficial de la Federación del 7 de Enero de 1997

2.2.2 ESTACIONES DE ESTUDIO

Con el fin de establecer el tránsito diario del área estudiada se instaló una

estación de conteo a la mitad del Boulevard Benito Juarez en el km 120+000

frente a la CBTIS 107

2.2.3 PERIODO DE AFORO

En la estación mencionada previamente se realizó un conteo vehicular

durante dos dias en ambos sentidos, buscando con dicha actividad el establecer el

número de ejes equivalentes para el horizonte de diseño. Los conteos vehiculares

fueron efectuados del 7 al 9 de Marzo de 2015; realizándose aforos entre las 6:00

a.m. y las 6:00 p.m.

2.3 ESTUDIO DE TRÁNSITO

2.3.1 METODOLOGÍA Y DIAGNÓSTICO

Para el diseño de pavimentos asfálticos a usar en vías de tránsito medio, se

considera el tránsito de la misma en términos de repeticiones de ejes patrones de

diseño de 8.2 toneladas, aclarándose que si se busca confiabilidad en su

valoración se requiere conocer la magnitud de las cargas pesadas circulantes para

con esta información establecer entonces la equivalencia entre estos y el eje

patrón de diseño.

Cabe aclarar que al considerar las cargas pesadas para el diseño de

pavimentos no deben tenerse en cuenta vehículos que simbolicen por sí mismo

cargas inferiores a 0.5 toneladas (motocicletas y camperos) sino aquellos que

superen dicha condición (Buses y camiones), sin embargo para efectos de este

diseño si los vamos a considerar, aun sabiendo que su impacto es mínimo.

Para establecer las cargas en el área de estudio se realizó un conteo

caracterizado como ya se mencionó anteriormente y cuyos resultados se

presentan en la tabla No. 8.

Tabla 8. Aforo vehicular del Boulevard Benito Juarez km 120+000

Dia Ap Ac B2 B3 C2 C3 T2-S1 T2-S2 T3-S2 T3-S3 T3-S2-R4 TOTAL DIARIO

Lunes 4056 935 752 35 105 42 19 17 23 38 56 6078

Martes 4120 895 596 42 59 25 15 16 19 29 63 5879

Miércoles 4200 950 650 36 110 35 21 29 22 41 74 6168

Jueves 4109 961 744 39 62 21 24 31 25 39 85 6140

Viernes 4244 1366 683 76 119 40 19 24 29 34 76 6710

Sábado 4150 1250 590 56 105 35 22 25 32 36 82 6383

Domingo 2546 950 250 35 75 22 12 6 10 15 43 3964

Total 27425 7307 4265 319 635 220 132 148 160 232 479 41322

Porcentaje 66.37% 17.68% 10.32% 0.77% 1.54% 0.53% 0.32% 0.36% 0.39% 0.56% 1.16% 100.00%

Composición (%)

A B C T-S

84.05% 11.09% 2.07% 2.79%

Es importante mencionar que tramo vial a rehabilitar cuenta con una estructura de pavimento flexible de

subrasante, base y carpeta asfáltica, pero en estado de deterioro.

La Vialidad Urbana consta de 2 sentidos y de 2 carriles de circulación por sentido cada sentido tiene un ancho

promedio de 7.00m, siendo considerada como una vía de primer orden.

2.3.2 PRONÓSTICO DEL TRÁNSITO Y PROYECCIONES

En la tabla No. 8 se aprecia que el tránsito del tramo vial estudiado son

similares en los días Lunes, Martes, Miércoles y Jueves, los volúmenes más altos

se presentan los días viernes y sábado, el día Domingo se pueden considerar de

tránsito medio.

También se puede notar en la tabla anteriormente presentada que existe

una alta incidencia de automóviles (84.056%), seguido de vehículos tipo B

(11.09%) y en menos proporción vehículos tipo C y T-S.

Se ha de calcular para el área de estudio el Tránsito Promedio Diario Anual

(TDPA) partiendo para tal fin del Tránsito Promedio Diario (TDPD), estimado a

través del aforo realizado, utilizando además un horizonte de 15 años. En la tabla

No. 9 se muestra la determinación del TDPA.

Tabla 9. Composición en TDPA inicial en el carril de diseño

A.DATOS:

TDPA 5903.14286 en el año 2015 %vehículos vacíos(Vv): 10

D= 0.53

%Vehículos con sobrecarga(Vsc):

15

Año inicial de operaciones: 2015

Sobrecarga máxima: 30

TDPAi (Vehículos) Horizonte

(años) r(%) LANES/SENT Ap+Ac B2+B3 C2+C3 T-S

3,111 15 4 2 84.05% 11.09% 2.07% 2.79%

B.COMPOSICIÓN EN TDPA INICIAL EN EL CARRIL DE DISEÑO

VEHÍCULO %DSLN COMPOS

(%) COMP/DSGL TDPA(1) RELATIVO

Ap 0 66.37 0 0 0.00%

Ac 50 17.68 8.8415372 271.4029 45.08%

B2

60 10.32 6.19282707 190.0971 31.58%

B3

60 0.77 0.46319152 14.21829 2.36%

C2 80 1.54 1.22936934 37.73714 6.27%

C3

80 0.53 0.42592324 13.07429 2.17%

T2-S1 80 0.32 0.25555394 7.844571 1.30%

T2-S2 80 0.36 0.28653018 8.795429 1.46%

T3-S2 80 0.39 0.30976235 9.508571 1.58%

T3-S3 80 0.56 0.44915541 13.78743 2.29%

T3-S2-R4 100 1.16 1.15918881 35.58286 5.91%

Sumas 100.00

602.0486 100.00%

2.4 ESTUDIO DE CAPACIDAD Y NIVELES DE SERVICIO

2.4.1 CÁLCULO DE EJES EQUIVALENTES SEGÚN EL MÉTODO

DEL INSTITUTO DE INGENIERÍA DE LA UNAM

Para simplificar el empleo del método de diseño se hará empleo del

programa de cómputo interactivo, DISPAV-5 (Diseño de pavimentos versión 2.0),

haciendo una adaptación de 4 capas, donde se calculará por deformación

permanente mediante un modelo elastoplástico.

Figura 7.Programa DISPAV 5 versión 2.0 del II-UNAM

Con las variables de diseño referidas y el tránsito vehicular esperado, se

efectuó el cálculo de la estructura del pavimento requerido sobre la capa de

terracerías y/o terreno natural existente, además del espesor de pavimento

necesario sobre la capa sub-rasante que se vaya a construirse, partiendo de los

siguientes datos iniciales:

Datos iniciales

T.D.P.A.inicial en el carril de proyecto 3,111 vehículos

Tasa de crecimiento 4%

Periodo de proyecto 15 años

Clasificación de vehículos Ap,Ac,B2,B3,C2,C3,T2-S1,T2-S2,T3-S2 ,

T3-S3 y T3- S2 – R4

Vehículos cargados 90%

Vehículos vacíos 10%

Tipo de camino A

Nivel de confianza 85%

Valor Relativo de Soporte: Base hidráulica

Subrasante al 100% de compactación Terracerías al 90% de compactación

Módulo de rígidez de la carpeta asfáltica

115.00% 27.94% 9.29%

28,371.59 kg/cm2

Nota: Para efectos de diseño se consideró un camino tipo A, ya que en el cálculo

del tránsito se encuentran vehículos tipo T-S.

TRANSCRIPCIÓN DEL PROGRAMA DISPAV 5 VERSION 2.0

El programa permite:

1. Diseñar de acuerdo con los lineamientos fijados

2. Revisar diseños específicos que proponga el proyectista

Introduzca su opción, anotando el número y presionando Enter : 1

El programa tiene dos opciones de diseño, según el tipo de camino

1. Caminos de altas especificaciones, en los que se desa conservar un nivel

de servicio alto al final de la vida del proyecto (1.2 cm de deformación de

rodada y agrietamiento ligero a medio)

2. Caminos normales en los que se permiten deformaciones del orden de 2.5

cm. En rodada ya grietamiento medio a fuerte al final de la vida del

proyecto.

Introduzca el numero correspondiente al tipo de camino: 2

Se requiere conocer el tránsito en el carril de proyecto en millones de ejes

estándar (ejes sencillos de 8.20 toneladas)

Tiene dos opciones:

1. Si conoce el tránsito de proyecto, introducirlo directamente

2. Calcularlo a partir del tránsito mezclado

Introduzca el número correspodiente a su elección: 2

Intruduzca los siguientes datos:

TDPA en el carril de proyecto ( en vehículos): 3,111

Tasa de crecimiento anual del tránsito (en %): 4

Periodo del proyecto, en años: 15

Se necesita conocer el tipo de camino:

1. Tipo A o B 2. Tipo C 3. Tipo D

Introduzca el número correspondiente: 1

Se requiere conocer la composición del tránsito. Introduzca el porcentaje de cada

tipo de vehículo

Automóvil:

A: 45.08 %

Tractocamión articulado

T2-S1: 1.30%

T2-S2: 1.46 %

T3-S2: 1.58 %

T3-S3: 2.29 %

Autobus:

B2: 31.58 %

B3: 2.36 %

Camión unitario:

C2: 6.27 %

C3: 2.17 %

Tractocamión doblemente articulado

T3-S2-R4: 5.91%

Los vehículos tipo A se supone que siempre están cargados

Los autobuses y vehículos de carga (tipo B,C y T), pueden circular vacíos en un

cierto porcentaje de casos.

Se requiere conocer el porcentaje de camiones cargados en el carril de poryecto.

Se tiene dos opciones:

1. Emplear un porcentaje de vehículos cargados aplicable a todos los

vehículos comerciales (un porcentaje promedio).

2. Emplear un porcentaje de vehículos cargados para cada tipo de vehículo.

Introduzca la opción que desea aplicar (1 ó 2): 1

En la ausencia de información más confiable se sugiere emplear uan proporción

de camiones cargados entre 60 y 80% entre 40 y 20% de camiones vacíos):

Introduzca la opción de camiones cargados que juzgue correcta(%): 90

Tipo de vehículo Autobuses B2

Eje 1 2

Tipo Sencillo Doble

Carga* 6.5 11.0

Presión** 6.0 6.0 *Carga total del eje,sencillo,doble,triple, en toneladas **Presión de inflado en condiciones de servicio en kg/cm

2

Se han indicado las cargas máximas legales por eje, en toneladas, según

aparecen en el decreto poblicado el 7 de Enero de 1997, (en algunos casos la

carga por eje se ajusto para no sobrepasar la carga máxima total del vehículo).

Puede modificar de acuerdo con su proyecto.

¿Quiere hacer modificaciones? (s/n) : N

Tipo de vehículo Autobuses B3

Eje 1 2

Tipo Sencillo Doble

Carga* 6.5 19.5


2

Se han indicado la scargas máximas legales por eje, en toneladas, según

aparecen en eñ decreto poblicado el 7 de Enero de 1997, (en algunos casos la


Puede modificar de acuerdo con su proyecto


Tipo de vehículo Camión C2

Eje 1 2

Tipo Sencillo Doble

Carga* 6.5 11.0


2 Se han indicado las cargas máximas legales por eje, en toneladas, según






Eje 1 2

Tipo Sencillo Doble

Carga* 6.5 19.50







Tipo de vehículo Tractocamión T2-S1

Eje 1 2 3

Tipo Sencillo Doble Triple

Carga* 6.5 11.0 10.0

Presión** 6.0 6.0 6.0 *Carga total del eje,sencillo,doble,triple, en toneladas **Presión de inflado en condiciones de servicio en kg/cm







Eje 1 2 3


Carga* 6.5 11.5 18.0








Eje 1 2 3


Carga* 6.5 19.5 18.0


2







Eje 1 2 3


Carga* 6.5 19.5 22.5


2






Tipo de vehículo Tractocamión T3-S2-R4

Eje 1 2 3 4 5

Tipo Sencillo Doble Doble Doble Doble

Carga* 5.7 17.1 15.7 8.8 15.7

Presión** 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 *Carga total del eje,sencillo,doble,triple, en toneladas **Presión de inflado en condiciones de servicio en kg/cm

2






COEFICIENTES DE EQUIVALENCIA DEL VEHÍCULO CARGADO

Tipo de vehículo Autobus B2

Eje Profundidad

5 15 30 60 90 120

1 1.12 0.62 0.37 0.29 0.28 0.27

2 1.28 2.11 3.55 4.69 5.01 5.14

Total 2.40 2.73 3.93 4.99 5.29 5.41

Tipo de vehículo Autobus B3

Eje Profundidad

5 15 30 60 90 120

1 1.12 0.62 0.37 0.29 0.28 0.27

2 2.50 3.30 3.34 4.34 4.61 4.72

Total 3.62 3.92 3.71 4.63 4.89 4.99


Eje Profundidad

5 15 30 60 90 120

1 1.12 0.62 0.37 0.29 0.28 0.27

2 1.28 2.11 3.55 4.69 5.01 5.14

Total 2.40 2.73 3.93 4.99 5.29 5.41


Eje Profundidad

5 15 30 60 90 120

1 1.12 0.62 0.37 0.29 0.28 0.27

2 2.50 3.30 3.34 4.34 4.61 4.72

Total 3.62 3.92 3.71 4.63 4.89 4.99

Tipo de vehículo Camión T2-S1

Eje Profundidad

5 15 30 60 90 120

1 1.12 0.62 0.37 0.29 0.28 0.27

2 1.28 2.11 3.55 4.69 5.01 5.14

3 1.26 1.74 2.42 2.87 2.98 3.03

Total 3.66 4.47 6.34 7.86 8.28 8.44


Eje Profundidad

5 15 30 60 90 120

1 1.12 0.62 0.37 0.29 0.29 0.27

2 1.28 2.11 3.55 4.69 5.01 5.14

3 2.46 2.78 2.42 2.87 2.98 3.03

Total 4.86 5.50 6.34 7.85 8.27 8.44


Eje Profundidad

5 15 30 60 90 120

1 1.12 0.62 0.37 0.29 0.28 0.27

2 2.50 3.30 3.34 4.34 4.61 4.72

3 2.46 2.78 2.42 2.87 2.98 3.03

Total 6.08 6.70 6.13 7.50 7.87 8.02


Eje Profundidad

5 15 30 60 90 120

1 1.12 0.62 0.37 0.29 0.28 0.27

2 2.50 3.30 3.34 4.34 4.61 4.72

3 3.52 2.70 2.41 2.86 2.98 3.00

Total 7.14 6.62 6.13 7.49 7.87 8.01

Tipo de vehículo Camión T3-S2-R4

Eje Profundidad

5 15 30 60 90 120

1 1.07 0.42 0.20 0.15 0.14 0.13

2 2.43 2.47 1.96 2.19 2.25 2.28

3 2.38 2.01 1.37 1.40 1.41 1.42

4 1.88 0.38 0.10 0.06 0.06 0.06

5 2.38 2.01 1.37 1.40 1.41 1.42

Total 10.13 7.30 4.99 5.21 5.27 5.29

Tránsito de poryecto en millones de ejes estándar para una profundidad de:

Z= 5 cm Z= 15 cm Z=30 cm Z=60 cm Z=90 cm Z=120 cm

39.6 28.6 31.3 37.9 39.8 40.5

Se sugiere emplear el tránsito de proyecto determinado a 15 y 90 cm para diseño

por fatiga y deformación permanente, respectivamente. Pero usted puede tomar la

profundidad más adecuada a su proyecto.

¿Acepta la sugerencia? (s/n) : N

Tienes seis opciones,correspondientes a las profundidades de cálculo:

1 5 cm

2 15 cm

3 30 cm

4 60 cm

5 90 cm

6 120 cm

El tránsito de proyecto, en millones de ejes estándar, es:

(a) Por fatiga en las capas estabilizadas: 28.6

(b) Por deformación en capas no estabilizadas: 39.8

(c)

3. DISEÑO DEL PAVIMENTO POR EL MÉTODO DEL INSTITUTO DE

INGENIERÍA DE LA UNAM

3.1 PAVIMENTO FLEXIBLE

El Instituto de Ingeniería de la UNAM (1981), aplicando la Teoría de

Boussinesq que presupone un medio homogéneo, isótropo, seminfinito y

linealmente elástico, iguala los esfuerzos normales verticales que producen dos

arreglos de ruedas, el del eje estándar (eq) y el del vehículo real (i), para una

determina profundidad z y da por hecho que es entonces cuando se produce el

mismo daño en ambos casos.

Considerando a P (t) como la carga total en toneladas del conjunto en los tres

tipos comunes de eje (sencillo, tándem y trídem), el radio de contacto de cada uno

de ellos se puede calcular con:

√

Para ejes sencillos

√

Para ejes en tándem

√

Para ejes trídem

Los coeficientes de daño (kd), a la profundidad z considerada, se definen en

la intersección de gráfica de distribución de esfuerzos de Boussinesq del conjunto

(i) considerado y las curvas de igual daño relativo. Por lo tanto, el Instituto de

Ingeniería propone el siguiente modelo matemático experimental:

En donde los esfuerzos normales verticales ,del eje i y del eje estándar eq

se calculan de acuerdo a la teoría de Boussinesq y , es la constate

experimental obtenida por el instituto de Ingeniería en su pista circular de

pruebas.

3.2 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO FLEXIBLE

3.2.1 CBR

El CBR se obtiene de la relación de la carga unitaria necesaria para lograr

una cierta profundidad de penetración del pistón de penetración (19.4 cm2) dentro

de la muestra compactada de suelo a un contenido de agua y densidad dadas con

respecto a la carga unitaria patrón requerida para obtener la misma profundidad

de penetración en una muestra estándar de material triturado. La prueba CBR se

realizó en las muestras que se emplearán en el Terreno natural, Subrasante y

Base, con el objeto de determinar las propiedades expansivas del material así

como la resistencia a la penetración. En el anexo A.3, A.4 y A.5 se muestran los

resultados de las pruebas realizadas.

3.2.2 CBR crítico de diseño

A continuación se determinan los valores del CBR de diseño (Tabla No. 10-

12). El cálculo del valor relativo de soporte de proyecto o valor de soporte crítico,

se estima de acuerdo con la siguiente expresión:

Donde:

Valor crítico del CBR para fines de diseño

Valor medio en cada material

Factor que depende del nivel de confianza establecido

Nivel de confianza (%) 75 80 85 90 95 99

C 0.675 0.842 1.037 1.282 1.645 2.326

Para fines de este estudio, el nivel de confianza es del 85% por lo tanto

Coeficiente de variación de los valores de prueba.

Tabla 10. Determinación de CBR crítico en el terreno natural

TERRENO NATURAL

CAD(km) SONDEO Nº

VALOR RELATIVO DE SOPORTE (VRS) CLASIFICACIÓN

SUCS Del Lugar 90% 95% 100%

2+200 3 12 11.47 10.41 13 CL

5+900 4 10.12 9.62 9.99 12 CL

6+900 5 6.3 9.89 11.47 12 CL

SUMA 28 31 32 37 PROMEDIO GENERAL 9.5 10.3 10.6 12.3 DESVIACION ESTÁNDAR 2.9 1.0 0.8 0.6 COEFICIENTE DE VARIACION 0.31 0.10 0.07 0.05 V.R.S. CRITICO 6.46 9.29 9.83 11.73

LOS VALORES DEL VRS CONSIDERADOS EN ESTE CALCULO CONSIDERAN QUE EL GRADO DE COMPACTACION DEL TERRENO NATURAL SEA AL 90% DE SU PESO VOLUMETRICO SECO MÁXIMO PARA OBTENER UN VRS CRITICO DEL 9.29%

Tabla 11. Determinación de VRS crítico en la capa sub-rasante

SUBRASANTE

BANCO

VALOR RELATIVO DE SOPORTE(VRS)

CLASIFICACIÓN SUCS

90% 95% 100%

MEZCLA 80-20 (80% DE GRAVA CRIBADA Y 20% DE LIMO) DEL BANCO SUMATRA

27.94 GW-GM

SUMA 27.94

PROMEDIO GENERAL 27.94

DESVIACION ESTÁNDAR 0.00

COEFICIENTE DE VARIACION 0.00

V.R.S. CRITICO 27.94

LOS VALORES DEL VRS CONSIDERADOS EN ESTE CALCULO CONSIDERAN QUE EL GRADO DE COMPACTACION DE LA SUBRASANTE SEA AL 100% DE SU PESO VOLUMETRICO SECO MÁXIMO POR EL MÉTODO AASHTO MODIFICADA PARA OBTENER UN VRS CRITICO DEL 27.94%.

NOTA: RESULTADOS INSUFICIENTES PARA ESTIMAR EL VRS CRÍTICO

Tabla 12. Determinación de VRS crítico en la capa Base

BASE

BANCO MUESTRA CLASIFICACIÓN

SUCS 90% 95% 100%

MEZCLA 90-10 (90% DE GRAVA CRIBADA Y 10% DE LIMO) DEL BANCO SUMATRA CON EL 2% DE CEMENTO PORTLAND.

1 115 GW-GM

SUMA 115

PROMEDIO GENERAL 115.0

DESVIACION ESTÁNDAR 0.0

COEFICIENTE DE VARIACION 0.00

V.R.S. CRITICO 115.00

LOS VALORES DEL VRS CONSIDERADOS EN ESTE CALCULO CONSIDERAN QUE EL GRADO DE COMPACTACION DELA BASE SEA AL 100% DE SU PESO VOLUMETRICO SECO MÁXIMO POR EL MÉTODO AASHTO MODIFICADA PARA OBTENER UN VRS CRITICO DEL 115%.

NOTA: RESULTADOS INSUFICIENTES PARA ESTIMAR EL VRS CRÍTICO

Tabla 13. Determinación de CBR crítico o de diseño

CAPA C.B.R.

%

C.B.R. %

(crítico)

C.B.R (%) Especificaciones SCT

Terracería(T. Natural) Sub-rasante

Base cementada

9.29 27.94 115.0

9.29 27.94 115.0

5 % 20 %

100 %

3.3 CÁLCULO DE ESPESORES EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES

En este capítulo se muestran los resultados más sobresalientes, respecto

al cálculo de espesores de elementos estructurales mediante el software para

diseño de pavimentos DISPAV 5 Versión 2.0 desarrollado por el Instituto de

Ingeniería de la UNAM.

TRANSCRIPCIÓN DEL PROGRAMA DISPAV 5 VERSION 2.0

El programa permite analizar pavimentos que contengan algunas de las siguientes

capas ( o todas ellas)

1. Carpeta

2. Base granular

3. Sub-base

4. Sub-rasante

5. Terracería

Introduzca el número de capas de que consta el pavimento: 4

Introduzca el número de la capa que no se encuentra en el pavimento: 3

Capa VRSz VRSp Mod de rigidez Poisson

Carpeta 28372.59 0.35

Base granular 115 115 3601 0.35

Sub-rasante 27.94 20 1338 0.45

Terracería 9.29 9 619 0.45

Se proponen valores para las relaciones de Poisson de cada capa, puede

modificarlas si así lo desea. Esos valores se obtuvieron de: E=130 (VRSz^.7). Esta

ecuación se obtiene para condiciones generales y puede requerir adecuaciones en

casos particulares.

¿Quiere hacer algún cambio? (s/n): N

El método permite elegir el nivel de confianza del proyecto

Se sugiere emplear un nivel de confianza de 85% que puede emplear otro nivel

(entre 50 y 99%)

¿Quiere cambiar el nivel sugerido? (s/n): N

Diseño por deformación para un camino de tipo normal, con un nivel de confianza

de 85%

Para un tránsito de proyecto de 39.8 millones de ejes estándar

Capa Espesor calculado Espesor proyecto

Carpeta 9.0 7.0

Base granular 39.5 20.0

Subrasante 29.0 30.0

Los espesores de capa calculados se ajustan a un espesor constructivo mínimo,

el cual depende de la capa y del tránsito de proyecto.

El diseño anterior previene contra la deformación excesiva.

A continuación debe revisarlo para prevenir el agrietamiento por fatiga, a menos

que este empleando un tratamiento superficial.

¿Quiere hacerlo así? (s/n): S

DATOS Y RESULTADOS DEL DISEÑO

Camino tipo normal. Nivel de confianza en el proyecto: 85%

Capa H(cm) VRSz (%) E

(kg/cm2) ν

Vida previsible

Def. Fatiga

Carpeta 5.0 28,372 0.35 >150

Base asfáltica 16.0 28,372 0.35 40.5

Base granular 15.0 115 3,601 0.35 >150

Subrasante 30.0 27.9 1,338 0.45 41.5

Terracería Semi-inf 9.3 619 0.45 46.7

Vida previsible Tránsito proyecto

Deformación 41.5 39.8

Fatiga 40.5 28.6

La vida previsible es cercana o mayor que la vida de proyecto el diseño parece

adecuado. La tolerancia es +/-10% del tránsito de proyecto crítico.

¿Quiere explorar otras alternativas? (s/n): N

Con esto termina el cálculo. Para otro diseño corra nuevamente el programa

DISPAV-5.

Por lo tanto se establece que el diseño cumple con los parámetros

necesarios contra deformación y fatiga.

Tabla 14. Características de la sección de diseño

CARACTERÍSTICAS DE LA SECCIÓN DE DISEÑO

DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES

NORMATIVA DE LA SCT

APLICABLE

Simbología Elemento Descripción

Tn: Terreno natural

Compactado desde la superficie descubierta, después del despalme o apertura de la cama de corte, al 95% del peso volumétrico seco

máximo obtenido en la prueba AASHTO estándar de control en los 20 cm superiores.

N-CTR-1-01-003,1-01-004,1-

01-009

sr: Subrasante De 0.30 m de espesor, compactada al 95% de su PVSMC, de la prueba AASHTO Modificada

N-CMT-1-03,C-CTR-1-01-009

bgc: Base De 0.15 m de espesor, compactada al 100%

de su PVSMC obtenida en la prueba AASHTO modificada

N-CMT-4-02-002,N-CTR-1-04-

002

c: Carpeta de

concreto asfáltico

De 0.05 m de espesor, compactada al 95% del MVM Marshall, elaborando los

especímenes con 60 golpes por cara

N-CMT-4-04,4-05-001,C-CTR-104-

010

Figura 7. Sección de diseño definitiva

ejemplo diseño de pavimento flexible itt unam (1)

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