vias y pavimentos 2014

V CURSO ESPECIAL DE TITULACIN EN INGENIERA CIVIL FILIAL MOQUEGUA

SETIEMBRE 2014

MOQUEGUA PERU

VVIIAASS YY TTRRAANNSSPPOORRTTEE

MODULO: VIAS Y PAVIMENTOS Pgina 2

CAPITULO 1:

INTRODUCCIN

1.1 INTRODUCCIN

Un pavimento es una estructura que sirve para trasmitir las cargas de los vehculos hacia el suelo de fundacin:

Angulo de rozamiento

Densidad del suelo Mdulo de Balasto Ks Modelo de Poisson Modulo de elasticidad Es

Agregados: Carpeta de rodadura Base Sub-base

Normas a seguir: AASHIO MTC

1.2. PARTES DE UN PAVIMENTO

1.2.1. CARPETA DE RODADURA

Es la ms superficial del pavimento est constituio por una mezcla ntima de agregados gruesos y finos, cemento asfltico, asfalto lquido o emulsiones asflticas como aglomerantes y un rellenador o filler en el caso del pavimento asfltico o por una mezcla ntima de agregados gruesos y finos, cemento portland como aglomerante y agua en el caso de los pavimentos de concreto, la superficie de rodadura sirve para resistir el desgaste, tomar los esfuerzos cortantes dados por las cargas de transito, proporcionar una superficie antideslizante y confortable al transito y para prevenir la penetracin de agua hacia las cargas interiores de pavimento.

Base

Revestimiento bituminoso

Sub-base Subrasante

Sub-rasante


1.2.2. BASE Es el principal elemento estructural de un pavimento flexible y puede ser tratado cemento, cal o asfalto o sin tratar como las gravas del ro, los materiales de afirmado o piedra chancada. El MTC especifica los requisitos granulomtricos para conformar la granulometra. La friccin pasante de la malla # 40 deber presentar un lmite lquido no menor a 5% y no mayor de 6%. Si la base va a quedar descubierta o no ser cubierta por una superficie bituminosa el lmite lquido sea no mayor de 35% y el ndice de plasticidad deber estar entre 4 9 %. La capacidad portante medida con el CBR estar entre 80 100% dependiendo el trfico ligero o mediano y pesado respectivamente. Su equivalente de arena debe ser del 30 50%. Desgaste (los ngeles) menor a 50% Compactacin no menor al 100%

1.2.3. SUB-BASE

Est conformado por material de prstamo que se coloca entre la Subrasante y la base en un pavimento flexible o entre la sub-rasante y la losa en un pavimento rgido. Es importante en el pavimento flexible porque juega un papel estructural, adems sirve como capa drenante o auto contaminante para impedir que la base sea atacada por las fluctuaciones de la masa fretica y el arrastre de finos hacia las capas superiores. En un pavimento rgido tiene por funcin distribuir las cargas recibidas de las bases a las sub-rasantes en valores aceptables para ello, as como prevenir la migracin de finos en la sub-rasante a la rasante hacia las juntas en el conocido fenmeno del bombeo. (PUMPINE)

1.2.4 SUB-RASANTE

Es la porcin de suelo de fundacin que ha sido nivelada, perfilada y compactada y que sirva de apoyo a las diferentes capas de pavimento. Depende del volumen de trfico y el MTC recomienda que su espesor compactado vare de 6 a 12 para trfico ligero. De 12 a 18 para trafico mediado De 18 a 24 para trafico pesado

1.2.5. SUELO DE FUNDACION

Es el suelo o roca, en corte o relleno, cuya porcin superior nivelada compactada sirve de soporte al pavimento.


1.3 TIPOS DE PAVIMENTO

Ventajas y desventajas relativas entre pavimentos rgidos y flexibles.

TIPO DE PAVIMENTO

RIGIDO FLEXIBLE

Costo inicial

Costo de mantenimiento

Facilidad de construccin

Resistencia al ataque por sulfatos

Resistencia a los combustibles

Requerimiento de espesores

Reflexin de la luz

DE CONCRETO

SUBBASE

LOSA

SUBRASANTE

DE ASFALTO

SUBBASE

RODADURA

BASE

SUBRASANTE


CAPITULO 2:

CARACTERSTICAS FSICAS Y LOS SUELOS DE SUBRASANTE Y FUNDACIN

TIPOS DE SUELOS

FINOS GRANULARES

Linos Bloques (bolonera)

Arcillas Gravas

Coloides Arenas

2.1. PROPIEDADES FSICAS DEL SUELO


wVaVvV

sVvVV

wWSWW

0aW aWwWSWW

Donde:

W : Peso total

sW : Peso de slidos

wW : Peso de agua

aW : Peso de aire

V : Volumen total

vV : Volumen de vacos

sV : Volumen de slidos

aV : Volumen de aire

wV : Volumen de agua

i) Peso especfico

V

W 3m/KN;3cm/gf

Peso especfico saturado sat Peso especfico hmedo h Peso especfico seco d

ii) Peso especfico de los slidos

s

ss

V

W

iii) Peso especfico del agua

w

ww

V

W

iv) Peso especfico efectivo ( ' )

wsatb

wsat'

El peso especfico natural muestra una condicin circunstancial del suelo marcado o determinado por la presencia del agua. Si el agua esta rellenando los vacos o intersticios del suelo se define el peso especfico saturado (se designa). Si la cantidad de agua presente en el suelo no rellena en forma total los vacos del suelo se designa como peso especfico hmedo. Si los vacos de un suelo no tienen presencia de agua (cantidad de agua=0) se designa como peso especfico seco.


2.2. PROPIEDADES DE FASE

i) Cantidad de agua o humedad ,%w

%100W

WW

s

w

ii Porosidad ,%n

%100V

Vn v

iii. ndice de vacos e

s

v

V

Ve

2.3. RELACIONES DE LAS PROPIEDADES FSICAS Y DE FASE

i. sw1

w1'

sG = Gravedad especfica de los slidos

ii. we1

es'

iii. SeWGs .

iv. 1G

e

d

s

v. ws

d e1

eG

vi. ws

se1

eG

vii. %1001

e

en

Nota: * Gravedad especfica de los slidos

w

ssG

* Grado de Saturacin (S,%)

%100v

w

V

VS

* Densidad relativo (DR)

%100minmax

max

CC

CCD natR

%100D

mindmaxd

mindnatd

natd

maxdR


CLASIFICACIN AASHTO

Clasificacin General

Materiales Granulares (35% o menos del total para el tamiz N 200)

Materiales Limo Arcillosa (ms 35% del total para el tamiz N 200)

Clasificacin de grupo

A-1 A-3 A-Z A-4 A-5 A-6 A-7

A-1-a A-1-b A-Z-4 A-Z-5 A-Z-6 A-Z-7 A-7-5/A-7-6

% de material

que pasa el tamiz

N 10 50 mx.

N 40 30 mx. 50 mx. 51 min.

N 200 15 mx. 25 mx. 10 mx. 35 mx 35 mx 35 mx 35 mx 36 min 36 min 36 min 36 min

Caractersticas de

la traccin que

Pasa el tamiz

N 40 lmite

lquido WL

ndice plstico IP 40 mx 41 min 40 mx 41 min 40 mx 41 min 40 mx 41 min

6 mx NP 10 mx 10 mx 11 min 11 min 10 mx 10 mx 11 min 11 min

0 0 0 0 4 mx 4 mx 8 mx 12 mx 16 mx 20 mx


Grupo A-1 Son mezclas bien graduadas compuestas por fragmentos de piedras de grava, arena y material ligante poco plstico se incluyen mezclas bien graduadas que no tienen material ligante.

Sub Grupo (A-1-a) Material formado predominantemente por piedra grava con o sin material ligante, bien graduado.

Sub Grupo (A-1-b) Material formado predominantemente por arena gruesa con o sin material bien graduado.

Grupo A-2 Material granular que contiene menos de 35% de material fino.

Sub Grupo (A-2-4) y (A-2-5) Son aquellos materiales cuyo contenido de material fino es igual a menor a 35% y cuya fraccin que pasa el tamiz # 40 tiene las mismas caractersticas de los suelos A-4 y A-5.

Sub Grupo (A-2-6) y Sub Grupo (A-2-7) Materiales con semejantes caractersticas a las anteriores pero la fraccin que pasa el tamiz # 40 tiene las mismas caractersticas de los suelos A-6 y A-7 respectivamente.

Grupo A-3 Incluye arenas finas de playas y aquellos con poca cantidad de limo sin plasticidad se consideran a las arenas de ro que tengan poca grava y arena gruesa. SUELOS FINOS LIMO ARCILLOSOS Contienen ms del 35% del material fino que pasa del tamiz # 200

Grupo A-4 Son suelos limosos poco o nada plsticos que tienen 75% o ms de material fino que pasa el tamiz # 200. Se incluyen las mezclas de limo con grava y arena hasta un 64%.

Grupo A-5 Suelos semejantes a los anteriores, pero que tienen material micaseo o diatomaseo son elsticos y tienen un elevado lmite lquido.

Grupo A-6 Tipificado como una arcilla plstica por lo menos el 75% de estos suelos para el tamiz # 200 se incluyen las mezclas arenosas cuyo porcentaje de arena y grava sea inferior al 64% presentan grandes cambios de volmenes entre los estados secos y hmedos.

Grupo A-7 Suelos semejantes a los del grupo A-6 pero son elsticos con elevados lmites lquidos.

Sub A-7-5 Material con ndices de plasticidad no muy altos con respectos a sus lmites lquidos.

Sub-Grupo A-7-6 Suelos con ndices de plasticidad muy elevados con respecto a sus lmites lquidos y que experimentan cambios de volumen muy grandes entre sus estados secos y hmedos.


2.4. INDICE DE GRUPO Es la relacin que el suelo tiene los porcentajes de cantidad de fraccionamiento y sus caractersticas plsticas. Los ndices de grupos de suelos granulares estn comprendidos entre 0 y 4 de los suelos limosos entre 8 y 12 de los suelos arcillosos 11 y 20 o ms el ndice es complementario a la clasificacin AASHIO y se la debe consignar entre parntesis:

84ZA Y siempre se le debe consignar como nmero entero. El ndice de grupo se determina con la siguiente expresin:

101501.040005.02.035 pIFLLFIG Donde:

%F : Para tamiz # 200

LL : Lmite lquido (%)

PI : ndice de plasticidad

2.5. GRANULOMETRA

Mecnico (tamizado) Sedimentacin (hidrmetro)

SUSC N 10 N 40 no hay AASHIO N 10 N 40 N 200 Se utiliza

N 40 42.0


2.6 CONSISTENCIA

Lmite lquido ,%,LLWL cuchara de casa grande Lmite plstico ,%,LpWp Lmite de contraccin ,%,LcWc

2.7. COMPACTACIN

Forma de efectuar el reacomodo de las partculas de un suelo.

2.7.1. ENERGA DE COMPACTACIN (LABORATORIO)

2.7.1.1. NORMAL O ESTNDAR


kgtW 5.2 (Martillo)

Altura de cada cmH 48.30 Nmero de golpes 25n golpes Nmero de Capas 3 capas

2.7.1.2. MODIFICADA

KgtWmartillo 5.4

Altura de cada cmH 00.40 # de golpes n = 56 # de capas 5 capas ENSAYO DE MODIFICADA 1993 (PROCTOR) Ensayos de laboratorio: Equipo de campo


cm 45H

5 capas de nmero N

56 golpes de nmero

5.4

n

kgfW

ENERGA DE COMPACTACIN ESPECFICA

V

NHWEc h

V = volumen de Molde 3/ 7.593 wkjEc (Compactacin estndar)

cm

cmkgfEc

64.114

54.26

455565.42

(Compactacin de energa modificada)

3/ 61.2611 mkjEc

Para graficar (Saturacin100%) debemos conocer sG

s

scv

wG1

G


W1h

d

V

Wh

h

4

3cm64.11254.2"6V

Datos de ensayo Control de compactacin

Peso del molde Def. Grado de compactacin

Peso del molde + hW %100

iodLaborator

dObraGC

hW

V

V

Wh

h

Cada 200 m2 h

(cono de arena)

Se realiza (baln de aceite) (Densmetro nuclear) Base 100% Compactacin 2.8. CBR

California Bearing Ratio (Relacin de soporte de california) STANTON Y PORTER (1929)


ENSAYOS CBR: i. Laboratorio

min/mm27.1v

Li F=Li x K Si A

F

0

ENSAYO PATRON PENETRACIN

ESFUERZOS UNITARIOS

mm pulg

2.5 5.0 7.5 10.

12.7

0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

PSI MPa Kgf/cm2

1000 1500 1900 2300 2600

6.9 10.3 13.0 16.0 18.0

70.31 105.50 133.60 161.71 182.81


CALIFICACIONES TPICAS DE LOS SUELOS EN FUNCIN DEL CBR

CBR Clasificacin

General NSO

Clasificacin

SUCS AASHIO

0 a 3 Muy pobre Sub Rasante OH, CH, MH, OL

A5, A6, A7

3 - 7 Pobre a regular Sub Rasante OH, CH, MH, OL

A4, A5, A6, A7

7 20 Regular Sub Base OL, CL, ML, SC, SM, SP

A2, A4, A6, A7

20 50 Bueno Base Sub Base GM, GC, SW, SM, SP, GP

A1b, AZ-5, A3, AZ-6

> 50 Excelente Base GW, GM A1a, Az-4, A3

Asfalto fro: admite la presencia de agua (Absorcin) Asfalto Caliente: se seca los agregados ENSAYO CBR DE CAMPO Se realiza con la finalidad de estudiar la subrasante

%100

p

1CBR

Para calcular el CBR se considera 0.1 pulg.

CBR de Campo: Indirectamente Muestras de suelos compactados con: 12 golpes, 25 golpes, 56 golpes: Humedad ptima

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 0,350 0,400 0,450 0,500

Penetracin (in)

Ten

si

n (k

g/c

m2)

12 Golpes 25 Golpes 56 Golpes


2.9. ENSAYO DE MDULO DE RESILENCIA

El ensayo del modulo de resistencia tiende a interpretar y estudiar el comportamiento del suelo bajo cargas dinmicas de la rueda. Las ruedas en movimiento imparten un pulso dinmico a todas las capas del pavimento y a la subrasante, en consecuencia cada capa del pavimento sufre una deflexin. El pulso de solicitaciones (carga) vara desde un valor muy bajo hasta un mximo en un instante dependiendo de la velocidad del vehculo. Las normas AASHIO T294 gobierna la ejecucin de estos ensayos.


I. Materiales de tipo 1 Materiales granulares no ligados y subrasante con menos del 70% del material pasante de la malla # 10 y menos del 20% del material pasante de la malla # 200 II. Materiales tipo 2 Son los subrasante que no cumplen los requerimientos para materiales tipo I y se incluyen los suelos A4, A5, A6, A7 en algunos casos A1b, A2 y A3 el ensayo se realiza.

2.9.1. ENSAYO COMPRESIN TRIAXIAL

Se utiliza una muestra de suelo de 8 de altura y 4 de dimetro en la que se aplica una carga vertical y una carga de confinamiento donde vamos a poder obtener datos a los que se denomina la relacin esfuerzo desviado y la deformacin unitaria.


MODULO DE RESILENCIA: SUELOS FINOS (MATERIALES TIPO 2)

Ablandamiento (suelo resiste menos) (Esfuerzo descarga esfuerzo descarga) Stress Softening

2

1

k

dR KM

21 ,KK Coeficientes correspondientes al material

El modulo de residencia para suelos finos depende de otros factores tales como el contenido de humedad y el nmero de ciclos para suelos finos.

MDULO DE RESILENCIA PARA SUELOS GRANULARES (MATERIALES TIPO I)

Endurecimiento Stress Hardening Thompson y Robnett

psi6d D Peso especfico

w404.018.18RM3

m/Kgf1600D

w526.006.27RM3

m/Kgf1600D

Adems para los suelos granulares se puede utilizar esta relacin:

231K

RKM :3 Esfuerzo volumtrico

3213

CORRELACIONES ENTRE VARIABLES DE RESISTENCIA Y EL MDULO DE RESILIENCIA.

CBRBMR

Donde: B = 1500 Si el CBR < 10%

En general HR en estos casos varia entre 3600750 RM (psi)

En funcin de R A y B son constantes del material R es el valor de resistencia de HVEEM

RBARM Si 100020 AR

555B


(Correlacin para asfaltos) Pueden tener los valores que estn en estos rangos:

555B369

1155A772

Ejercicio Determinar el Mdulo Resiliente de una muestra de suelo granular simtrico a un ensayo

triaxial donde KPa3501 .

KPac 80 Considerando que los coeficientes 1K y 2K son 5600 y 0.55 respectivamente.

KPaM

M

KPa

KM

R

R

k

R

62.262604

4109600

802250

55.0

3

31

2


CAPITULO 3: MATERIAL DE PRSTAMO

3.1 INTRODUCCIN

Los agregados empleados en la construccin de carreteras, deben cumplir con requisitos de granulometra y especificaciones tcnicas, que garanticen un buen comportamiento durante su periodo de vida. En este captulo se cubrir el tema de la granulometra y calidad de agregados que conformarn las capas de afirmado, sub base y base. Durante los ltimos 10 aos se han desarrollado nuevas tecnologas y criterios para el diseo de mezclas asflticas, variando los criterios del diseo de mezclas, pero los mtodos de evaluacin de calidad de los agregados no se ha modificado. Las especificaciones granulomtricas de las carpetas asflticas, se vern con detalle en el captulo correspondiente, donde se tratar de los tipos de mezclas asflticas. Sin embargo, en este captulo se consideran los ensayos de calidad de agregados para carpetas asflticas.

3.2 ESPECIFICACIONES TCNICAS DE MATERIAL DE PRSTAMO: AFIRMADO, Sub Bases y Bases Granulares. Mezclas de Suelos y Agregados

3.2.1 Especificaciones Granulomtricas Los materiales granulares que conformaran las capas de afirmado, sub base y base, deben cumplir con rangos granulomtricos especificados por el MTC. La gradacin es una de las ms importantes propiedades de los agregados. Este afecta casi todas las propiedades importantes de una mezcla asfltica en caliente, incluyendo dureza, estabilidad, durabilidad, permeabilidad, trabajabilidad, resistencia a la fatiga, resistencia al rozamiento, y resistencia a la humedad. De esta manera, la gradacin es la primera consideracin en un diseo de mezclas asflticas. Tericamente, es razonable pensar que la mejor gradacin sea la densa o bien gradada; sin embargo, recientes investigaciones han demostrado que las mezclas del tipo Stone Mastic Asphalt, SMA, tienen un mejor comportamiento cuando estn sometidas a la accin de trfico pesado, en zonas de altura. Las especificaciones granulomtricas vigentes en el Per son las Especificaciones Tcnicas Generales para Construccin de Carreteras EG-2000, del Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construccin, Oficina de Control de Calidad. En la tabla 3.1 se listan los rangos mximos y mnimos para materiales de afirmado. En la figura 3.1 se grafican los rangos especificados.


Tabla 3.1: Huso Granulomtrico para Afirmado

Muestra Afirmado (% que pasa)

Tamiz Abertura (mm)

A-1 A-2

2" 50,000 100 -.- 1 37.500 100 -.-

1" 25,000 90-100 100,0 1 19.000 65-100 80-100

3/8" 9,500 45-80 65-100 N4 4,750 30-65 50-85 N10 2,000 22-52 33-67 N40 0,425 15-35 20-45 N200 0,075 5-20 5-20

Especificaciones Tcnicas Generales para Construccin de Carreteras EG-2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construccin, Oficina de Control de Calidad

Figura 3.1: Rangos Granulomtricos para Materiales de Afirmado, Sub-base y Base

Granulares (MTC)

Las especificaciones tcnicas para rangos granulomtricos de materiales de sub base y base, son los mismos. Las normas ASTM D 1241 las especifican bajo el ttulo Standard Specification for Materials for Soil-Aggregate Subbase, Base and Surface Courses, sta norma fue revisada por ltima vez en 1994. El Ministerio de Transportes y Comunicaciones la hizo suya y las consider dentro de las especificaciones emitidas en el ao 2000. La tabla 3.2 muestra las especificaciones granulomtricas para materiales de sub base y base granular. En la figura 3.2 se muestran las especificaciones grficamente.


Tabla 3.2: Huso para Sub-Base y Base Granular

Porcentaje que pasa en peso

Tamiz Abertura (mm)

Gradacin A(1) Gradacin B Gradacin C Gradacin D

2" 50,000 100 100 -.- -.-

1" 25,000 -.- 75-95 100 100

3/8" 9,500 30-65 40-75 50-85 60-100

N4 4,750 25-55 30-60 35-65 50-85

N10 2,000 15-40 20-45 25-50 40-70

N40 0,425 8-20 15-30 15-30 25-45

N200 0,075 2-8 5-15 5-15 8-15

Standard Specification for Materials for Soil-Aggregate Subbase, Base and Surface Courses. ASTM D-1241-68 (Reapproved 1994); y Especificaciones Tcnicas Generales para Construccin de Carreteras EG-2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construccin, Oficina de Control de Calidad: (1) la curva gradacin A deber emplearse en zonas con altitud mayor o igual a 3000 m.s.n.m. 3.2.2 Calidad de Agregados Para verificar la calidad de un determinado banco de materiales, estos deben ser sometidos a ensayos de suelos, debiendo cumplir con las especificaciones tcnicas emitidas por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones EG-2000. Los materiales que sern empleados como material de afirmado o sub base podr ser agregado natural, triturado o una combinacin de ambos. Los agregados para bases debern ser chancados. Todos los agregados utilizados como afirmados, sub base y base sern resistentes, sin exceso de partculas chatas o alargadas, no podrn presentar terrones de arcilla ni materia orgnica. Los ensayos a los que estn sometidos los suelos son: Abrasin Los Angeles, Equivalente de Arena, ensayo de proctor modificado, CBR asociados a la mxima densidad seca y al ptimo contenido de humedad del proctor, partculas chatas y alargadas, caras de fractura, sales solubles y contenido de impurezas orgnicas.


Las muestras al llegar al laboratorio se separan, porque sern ensayadas para que verifique diferentes requisitos de calidad. En la tabla 3.3 se muestra en resumen, los ensayos a los que estn sometidas las muestras que conformarn las capas de afirmado, sub base, base o carpeta de rodadura.


Tabla 3.3: Ensayos de Calidad de Agregados

ENSAYOS Sub base Base Granular

Afirmado Asfalto

Piedra Arena

Anlisis Granulomtrico por Tamizado

Lmites de Consistencia

Equivalente de Arena

Peso especfico y Absorcin

Peso unitario suelto

Peso unitario varillado

Abrasin

Proctor Modificado

CBR

Porcentaje de caras fracturadas y y

% de partculas chatas y alargadas s s y

Contenido de impurezas orgnicas s s

Contenido de sales solubles totales

Adherencia (entre mallas N3/8" y ")

Riedel Weber (segn norma a emplear)

Durabilidad

En la tabla 3.4 se listan las especificaciones tcnicas que deben cumplir los materiales que sern usados como afirmado, sub base y base. 3.2.3 SUELOS ESTABILIZADOS Las normas del Ministerio de Transportes y Comunicaciones considera dentro de sus especificaciones a los suelos estabilizados con cemento y cal, se harn un breve resumen de ambas combinaciones. a) ESTABILIZADOS CON CEMENTO El material a estabilizar con cemento podr ser A-1, A-2, A-3, A-4, A-5, A-6 y A-7, con tamao mximo de 2 y no mayor de 1/3 del espesor de la capa compactada. En la tabla 3.5 se muestran las especificaciones del agregado que ser estabilizado con cemento. El cemento con que ser estabilizado el suelo ser portland, el cual deber cumplir con la Norma Tcnica Peruana NTP 334.009, Norma AASHTO M85 ASTM C 150. El cemento que podr ser empleado es el denominado Tipo I o cemento portland normal.


Tabla 3.4: Especificaciones Tcnicas para Materiales empleados en Construccin de Carreteras

Ensayo Norma Afirmado

Sub base granular Base granular


La mezcla suelo-cemento se disea mediante los ensayos de resistencia a compresin simple y humedecimiento-secado (normas MTC E 1103 y MTC E 1140). En ensayos de compresin simple, la resistencia no debe ser menor de 1.76 MPa (18 kg/cm2) luego de 7 das de curado hmedo. Para el ensayo humedecimiento-secado, el contenido de cemento deber ser tal, que la prdida de peso de la mezcla compactada, no supere los siguientes lmites de acuerdo con la clasificacin que presente el suelo por estabilizar:

Suelo por estabilizar Prdida Mxima (%)

A-1, A-2-4, A-2-5, A-3 14

A-2-6, A-2-7, A-4, A-5 10

A-6, A-7 7

b) ESTABILIZADOS CON CAL El terreno de fundacin se estabiliza con cal por diferentes razones: para agilizar la construccin, en el tratamiento de suelos expansivos y para proporcionar una cimentacin fuerte a la estructura del pavimento. Un suelo estabilizado con cal puede ser rgido y durable, mejorando el comportamiento del pavimento. La incorporacin de cal a suelos de gradacin fina como las arcillas origina que los cationes de la superficie de arcilla sean sustituidos por los de xido de calcio, incrementando el pH y alterando la mineraloga de la superficie de las molculas de arcilla. Esta alteracin reduce la capacidad de la arcilla para absorber agua y por lo tanto reduce su expansin y plasticidad, mejorando su estabilidad. Se debe incorporar cal al suelo y mezclar, agregar agua durante el mezclado. El suelo debe encontrarse dentro de 2% del ptimo contenido de humedad previo a la compactacin. La compactacin debe realizarse dentro de los 30 minutos posteriores al mezclado final.

Los suelos que sern estabilizados con cal debern cumplir con las especificaciones de la tabla 3.6, los suelos no deben tener ms del 3% en peso de materia orgnica. El tamao mximo del agregado grueso que contenga el suelo no debe ser mayor de 1/3 del espesor de la capa compactada de suelo-cal.


Tabla 3.6: Especificaciones de Agregado que ser Estabilizado con Cal

Ensayo Norma Agregado grueso

Agregado fino

Indice Plstico, % ASTM D-4318 MTC E 111

10 a 50%

Abrasin Los Angeles1, % ASTM C-131 MTC E 207

50% mx

Prdida con Sulfato de Sodio1, % ASTM C 88 MTC E 209

12% mx 10% mx

1 en caso el suelo forme parte de una capa estructural Especificaciones Tcnicas Generales para Construccin de Carreteras EG-2000, MTC, OCC

La cal que se empleo para estabilizar bases de suelo-cal puede ser cal hidrulica y debe satisfacer los requisitos establecidos en la especificacin AASHTO M 216 o ASTM C 977. La aplicacin de la cal puede variar entre 2 y 8% en peso de los materiales. Cuando la mezcla de suelo-cal sea usada como parte de una capa estructural, el CBR de la mezcla deber cumplir con las especificaciones citadas para materiales de sub base y base. c) MEZCLAS DE SUELOS Y AGREGADOS La combinacin de agregados es un tema conocido por todo los estudiantes de ingeniera, los mtodos son diversos, entre ellos se encuentran la dosificacin de los agregados por peso y por mtodos grficos. Se dar a continuacin un ejemplo del mtodo grfico del cuadrado, para combinacin de dos agregados. Ejemplo: Combine los agregados A y B para que cumplan con las especificaciones:

Porcentaje que pasa

Tamiz N 3/4" 3/8" N4 N10 N40 N80 N200

Agregado A 100 48 31 25 22 15 8

Agregado B 100 75 58 43 15 5 1

Especificaciones 100 52-67 40-54 30-41 14-23 7-16 2-8

1. Se traza un cuadrado ABCD, sobre cuyos lados se marcan los porcentajes de 0 a 100 de izquierda a

derecha en el lado AB y viceversa en el lado CD. Ver figura 3.3. 2. Sobre AD se marcan los porcentajes de uno de los agregados y sobre BC los porcentajes del

otro. 3. Se unen con una lnea continua los extremos correspondientes a un mismo tamiz, escribiendo

sobre esta lnea el tamiz al que corresponde. Sobre estas lneas se grafican pequeos cuadrados que representan los lmites superior e inferior de las especificaciones

4. Se unen los cuadrados de los lmites superiores (a, b, c, .................. ) y luego los cuadrados de los lmites inferiores (a , b , c , ...).

5. El espacio que une los cuadrados ms cercanos (a y b) representa el margen de porcentajes entre los cuales se puede hacer la combinacin de los dos materiales.

6. Para el ejemplo puede variar (a) entre 70% del agregado B ms 30% del agregado A; y (b) de 35% del agregado B ms 65% del agregado A.


3.3 ENSAYOS DE CALIDAD DE AGREGADOS Todos los agregados que conformen alguna de las capas de la estructura del pavimento, debern cumplir con las especificaciones de la tabla 3.4. Los ensayos considerados verifican cierta caracterstica de los agregados, en este libro se describe las razones por las que se consideran en las especificaciones. Si el lector est interesado en conocer el procedimiento de ensayo, puede revisar el Manual de Laboratorio Ensayos para Pavimentos Volumen I, de S. Minaya y A. Ordoez, primera edicin, publicada por el Departamento de Mecnica de Suelos de la Universidad Nacional de Ingeniera, 2001.

3.3.1 ENSAYO DE ABRASIN POR MEDIO DE LA MQUINA DE LOS NGELES ASTM C-131,

MTC E 207 Los agregados deben ser capaces de resistir el desgaste irreversible y degradacin durante la produccin, colocacin y compactacin de las obras de pavimentacin, y sobre todo durante la vida de servicio del pavimento. Debido a las condiciones de esfuerzo-deformacin, la carga de la rueda es transmitida a la superficie del pavimento a travs de la llanta como una presin vertical aproximadamente uniforme y alta. La estructura del pavimento distribuye los esfuerzos de la carga, de una mxima intensidad en la superficie hasta una mnima en la subrasante. Por esta razn los agregados que estn en, o cerca de la superficie, como son los materiales de base y carpeta asfltica, deben ser ms resistentes que los agregados usados en las capas inferiores, sub base, de la estructura del pavimento, la razn se debe a que las capas superficiales reciben los mayores esfuerzos y el mayor desgaste por parte de cargas del trnsito.


Por otro lado, los agregados transmiten los esfuerzos a travs de los puntos de contacto donde actan presiones altas. El Ensayo de Abrasin de Los ngeles, ASTM C-131 MTC E 207, mide bsicamente la resistencia de los puntos de contacto de un agregado al desgaste y/o a la abrasin. El porcentaje de desgaste se calcula como la diferencia del peso inicial menos el peso final de la muestra ensayada, entre el peso inicial.

% desgaste = P P i n i c i x 1 0 0

3.3.2 ENSAYO DE DURABILIDAD, PRDIDA CON SULFATO DE SODIO O MAGNESIO ASTM C 88 MTC E 209 Es el porcentaje de prdida de material en una mezcla de agregados durante el ensayo de durabilidad de los ridos sometidos al ataque con sulfato de sodio o sulfato de magnesio. Este ensayo estima la resistencia del agregado al deterioro por accin de los agentes climticos durante la vida til de la obra. Puede aplicarse tanto en agregado grueso como fino.

El ensayo se realiza exponiendo una muestra de agregado a ciclos alternativos de bao de inmersin en una solucin de sulfato de sodio o magnesio y secado en horno. Una inmersin y un secado se consideran un ciclo de durabilidad. Durante la fase de secado, las


sales precipitan en los vacos del agregado. En la re inmersin las sales se re hidratan y ejercen fuerzas de expansin internas que simulan las fuerzas de expansin del agua congelada. El resultado del ensayo es el porcentaje total de prdida de peso sobre varios tamices para un nmero requerido de ciclos. Los valores mximos de prdida son aproximadamente de 10 a 20% para cinco ciclos de inmersin-secado.

3.3.3 PORCENTAJE DE PARTCULAS CHATAS Y ALARGADAS. ASTM D-4791; MTC E 211 Se ha demostrado en un sin nmero de investigaciones, que el exceso de partculas chatas y alargadas, pueden perjudicar el comportamiento de la estructura del pavimento. La carga proveniente del trfico puede quebrar las partculas y modificar la estructura original. Se denomina partcula chata cuando la relacin ancho/espesor es mayor de 1/3; y alargada cuando la relacin largo/ancho es mayor de 1/3. 3.3.4 PORCENTAJE DE CARAS FRACTURADAS ASTM D-5821; MTC E 210 Algunas especificaciones tcnicas contienen requisitos relacionados al porcentaje de agregado grueso con caras fracturadas con el propsito de maximizar la resistencia al esfuerzo cortante con el incremento de la friccin entre las partculas. Otro propsito es dar estabilidad a los agregados empleados para carpeta o afirmado; y dar friccin y textura a agregados empleados en pavimentacin.

La forma de la partcula de los agregados puede afectar la trabajabilidad durante su colocacin; as como la cantidad de fuerza necesaria para compactarla a la densidad requerida y la resistencia de la estructura del pavimento durante su vida de servicio.

Las partculas irregulares y angulares generalmente resisten el desplazamiento (movimiento) en el pavimento, debido a que se entrelazan al ser compactadas. El mejor entrelazamiento se da, generalmente, con partculas de bordes puntiagudos y de forma cbica, producidas, casi siempre por trituracin.

3.3.5 ENSAYO DE EQUIVALENTE EN ARENA ASTM D 2419; MTC E 114

Este mtodo de ensayo asigna un valor emprico a la cantidad relativa, finura y caractersticas del material fino presente en una muestra de ensayo formado por suelo granular que pasa el tamiz N4 (4.75 mm). El trmino Equivalente de Arena transmite el concepto que la mayora de los suelos granulares y agregados finos son mezcla de partculas gruesas, arenas y generalmente finos.


Para determinar el porcentaje de finos en una muestra, se incorpora una medida de suelo y solucin en una probeta plstica graduada que luego de ser agitada separa el recubrimiento de finos de las partculas de arena; despus de un perodo de tiempo, se pueden leer las alturas de arcilla y arena en la probeta. El equivalente de arena es la relacin de la altura de arena respecto a la altura de arcilla, expresada en porcentaje. Este mtodo proporciona una manera rpida de campo para determinar cambios en la calidad de agregados durante la produccin o colocacin.

3.3.6 SALES SOLUBLES TOTALES ASTM D 1888; MTC E 219 El objetivo de este ensayo es cuantificar el contenido de cloruros y sulfatos, solubles en agua, de los agregados ptreos empleados en bases y mezclas bituminosas. Este mtodo sirve para efectuar controles en obra, debido a la rapidez de visualizacin y cuantificacin de la existencia de sales. Una muestra de agregado ptreo se somete a continuos lavados con agua destilada a ebullicin. La presencia de sales, se detecta mediante reactivos qumicos, los cuales, al menor indicio de sales forman precipitados fcilmente visibles. Del agua total de lavado, se toma una parte y se procede a cristalizar para determinar la cantidad de sales presentes.

3.4 ENSAYOS PARA CUANTIFICAR EL COMPORTAMIENTO MECNICO DE LAS CAPAS QUE CONFORMAN LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO

Los materiales que conformaran las capas de afirmado, sub base y base debern ser ensayados con el mtodo de proctor modificado para determinar su mxima densidad seca y el optimo contenido de humedad. Con estos valores se prepararan especmenes remoldeados para el ensayo de CBR. El CBR asociado al 95% de la mxima densidad ser el CBR de diseo para cada capa. Se debe recalcar que el CBR asociado a la mxima densidad seca, es un mtodo que se recomienda usar slo en el caso de material de cantera (afirmado, sub base y base) o en subrasante granulares. No se recomienda emplear este mtodo en subrasante finas.


CAPITULO 4: MATERIALES ASFLTICOS

4,1 INTRIDUCCION

Material residual del Petrleo de la refinacin del petrleo. Natural

El asfalto puede ser considerado como un material aligante. Aligante asociados a materiales de consistencia resistente. Aligante asociados a materiales de consistencia no resistente. El asfalto que tambin puede llamarse cemento asfaltico. El cemento asfltico y los agregados conforman el concreto asfltico que en general tiene una proporcin de 4 a 12% de la mezcla total en peso.

TIPOS DE CEMENTO ASFLTICO Asfalto natural: Es el que se obtiene por el proceso natural de evaporacin a destilacin y se forma cuando el petrleo crudo asciende a la superficie de la tierra en forma natural. Betn.- Mezcla de hidrocarburos naturales o pirogenados que pueden ser combinados y pueden estar en estado gaseoso lquido semi slido. Alquitrn.- Material bituminoso viscoso o fluido obtenido por destilacin destructiva de materias orgnicas como son el carbn, la madera, el lignito, material vegetal y otros. La palabra alquitrn debe estar complementada del material de que proviene. TIPOS DE ASFALTOS

i) Asfaltos Livianos (curado rpido) (asfalto lquido)

Designacin Viscosidad

Temperatura Furol

segundos

Contenidos asflticos Slido (80-100) Penetracin mn.

Temp. Aplic. C

RC-1 50C 80-120 65% 37-52c

RC-2 50 200-400 70% 38-71

RC-3 60C 275-400 75% 49-79

RC-4 60C 700-1400 80% 49-93

Los asfaltos lquidos de curado rpido se caracterizan porque son una mezcla de cemento asfltico y normalmente gasolina (aceites, voltiles)

ii) Asfalto lquido de curado medio


Temperatura Furol

segundos

Contenidos asflticos Slido (80-100)

Temperatura de

aplicacin


Penetracin mn. en C

MC-1 25C 40-150 50% 10-50

MC-2 60C 150-250 70% 52-93

MC-3 60C 300-600 75% 60-110

MC-4 60C 500-800 80% 60-140

MC-5 82C 170-280 80% 71-121

Los asfaltos lquidos de curado medio se caracterizan por que estn formados por mezcla de cemento asfltico + kerosene.

iii) Asfaltos lquidos de curado lento


Temperatura Furol

segundos

Contenidos asflticos

Slido (80-100) Penetracin mn.

Temperatura de

aplicacin en C

SC-1 25C 20-150 35% 10-66

SC-2 50C 200-300 55% 49-93

SC-3 60C 150-300 60% 62-121

SC-4 82C 350-550 65% 77-135

Las caractersticas de los asfaltos lquidos de curados lento son mezclas de cemento asfltico y Diesel.

iv) Asfaltos Emulsionados


Temperatura Furol

segundos

Contenidos asflticos

Slido (80-100) Penetracin mnima

Temperatura de aplicacin

en C

RS 20-100 55% min 10-50 60% min

MS 20-100 55% min 10-50 30% max

SS 20-100 55% min 10-50 1% max

Caractersticas del asfalto slido

Penetracin 25C Ductibilidad

100-200 100-200 100-200

40 cm (min) 40 cm (min) 40 cm (min)

EMULSION + AGUA = Cambia las propiedades inicas de los agregados.

Neutraliza a la partcula de tal manera que la unin entre el cemento asfltico se hace de mayor intensidad.

Emulsin: Aninica = agregados de origen alcalino Catinica = Agregados de origen cido Neutralizante = mejora un agregado que tiene ambos componentes inicos.


ASFALTO PARA PAVIMENTOS COMERCIALIZADO POR PETRO PERU ASFALTO LQUIDO (RC 250)

CARACTERSTICAS

Los cementos asflticos deben ser homogneas deben estar libros de agua no deben formar espuma cuando son calentados a la temperatura de aplicacin. Ensayos sobre cementos asflticos

1. ENSAYO DE PENETRACIN (ATM DS-86; AASHTO T49-89)

El ensayo normal de penetracin mide la dureza o consistencia relativa del cemento asfltico a travs del procedimiento siguiente.

Ensayo de Penetracin


2. ENSAYO DE DUCTIBILIDAD (ASTM DII3-86, AAHTO T51-89) El ensayo de ductibilidad determina el estado de fluidez de los asfaltos a los diferentes temperaturas durante su aplicacin, los cementos asflticos dctiles tienen mejores propiedades aglomerantes. Los cementos asflticos muy dctiles son ms susceptibles a los cambios de temperatura.

3. PUNTO DE INFLAMACIN (ATM D 310; AASHTO T79-88) Temperatura a la que cuando emite gases hasta que se inflama.

4. ENSAYO DE FLOTACIN (ASTM D139; AASHTO T50) El tiempo que demora en que el agua durante el asfalto se mide como el parmetro de flotacin.

4.2. MEZCLAS ASFLTICAS 1. Fro (forma de colocacin)

En la planta Chancadora se realiza la produccin de piedra y agregado fino para asfalto; para luego trasladarlo a la planta de asfalto y as obtener la mezcla asfltica en fro

Ensayo de punto de inflamacin "vaso abierto Cleveland"


2. Caliente

Es la unin de agregados ptreos de diferente graduacin o tamao con cemento asfltico. Las proporciones se definen de acuerdo a un estudio de dosificacin y la mezcla es realizada en una planta mezcladora.

4.3. PROPORCIN DE ASFALTO

A travs de metodologas que estn en funcin de gradacin 4.3.1. PROPORCION DE MEZCLAS ASFLTICAS

Agregados Cemento asfltico

i) P = 0,035a+0,045b+0.15c cuando 11-15% pasa el tamiz No 200 0.18c cuando 6-10% pasa el tamiz No 200 0.205c cuando 5% o menos pasa el tamiz No 200 Donde: P % de cemento asfltico del peso seco total Pa: % de agregado retenido en el tamiz N 8 b: % que pasa el tamiz #8 t retenido en el tamiz # 200 c: % de agregado que pasa el tamiz #200 ii) P = 0,020a+0,045 b+cd P: % del cemento asfltico con respecto al peso total seco A: % de material retenido en la malla # 10 b: % de material que pasa # 10 y retenido en la malla # 200 c: % de material que pasa la malla # 200 d: coeficiente asfltico que varia con las caractersticas del material.

MATERIAL D

- Gravas o arenas de ros o materiales redondeadas de baja absorcin

- Gravas trituradas de baja absorcin - Rocas trituradas de absorcin media - Rocas trituradas de absorcin alta

0,15

0,20 0,30 0,35


4.4. MTODO DE MARSHALL Conduce a la determinacin de la cantidad ptima de cemento asfltico en trminos generales el contenido ptimo de cemento asfltico por el mtodo de Marshall es el promedio de: - El contenido de cemento asfltico correspondiente al mayor peso especfico. - Contenido de cemento asfltico mximo correspondiente a la estabilidad y el contenido de cemento asfltico del valor medio del porcentaje de vacos. - CONTENIDO DE CEMENTO ASFALTICO OPTIMO CA optimo

1.5vacios%medio.A.C

8.4destabilida:max.A.C

7.4d.A.C

CAoptimo

Procedimiento: MARSHALL Marco de reaccin Muestra: 2 altura, 4 dimetro

ENSAYO DE ESTABILIDAD MARSHALL. ANILLO DE CARGA CON INDICADOR, MEDIDOR DE FLUJO, MOLDE DE ESTABILIDAD

CA - 1% 4,22

CA Contenido calculado (5,22) Ca + 0.5% 5,72 Ca + 1% 6,22 Ca + 1,5% 6,72 Ca + 2% 7,22


CAPITULO 5: ESFUERZOS Y DEFORMACIONES EN EL PAVIMENTO

5.1 INTRODUCCIN Actualmente, la mayora de los mtodos de diseo de pavimentos no consideran la contribucin de cada capa en la resistencia a la fatiga, asentamientos permanentes y el de agrietamiento por temperatura, mas an, cuando cada capa del pavimento tiene una funcin propia. Los mtodos denominados empricos-mecansticos pueden considerar la contribucin estructural de las diferentes capas de un pavimento flexible, lo que no ocurre por ejemplo, con el mtodo AASHTO 1993. Recientemente la incorporacin de los conceptos de la mecnica estructural denominados conceptos mecansticos es utilizada en el anlisis, diseo y refuerzo de la

estructura de los pavimentos. Las Agencias de Transportes de los Estados de Illinois, Kentucky, Minnesota y Washington estn adoptando procedimientos de diseo mecansticos. El presente captulo se difunde la consideracin de los conceptos mecansticos en la resiliencia de los materiales y la evaluacin de la sub-rasante.

5.2 MDULO ELSTICO

El parmetro que se utiliza en la estimacin de deformaciones bajo cargas estticas es el mdulo de elasticidad. El mdulo elstico relaciona los esfuerzos aplicados y las deformaciones resultantes. El nivel de esfuerzos aplicado al suelo a travs de la estructura del pavimento es mnimo comparado con la deformacin en falla, por ello se asume que existe una relacin lineal entre los esfuerzos y las deformaciones. La teora de la elasticidad permite utilizar ensayos de laboratorio y campo para la determinacin del mdulo elstico. La Figura 5.1 muestra los ensayos disponibles en nuestro medio. El ensayo de compresin confinada utilizando el consolidmetro simula el comportamiento deformacional que tendr el suelo debajo de una cimentacin superficial. El esfuerzo de confinamiento lateral es variable durante la prueba, dada por la pared metlica del equipo que no permite la deformacin horizontal de la muestra. El ensayo permite obtener el mdulo elstico en la condicin natural y humedecida. En suelos arenosos el humedecimiento bajo carga ocurre de manera inmediata y es posible medir el asentamiento adicional por este efecto. El ensayo triaxial estudia el comportamiento deformacional del suelo bajo confinamiento y permite obtener mdulos elsticos para cualquier nivel de presin de confinamiento y deformacin. Los parmetros se utilizan cuando las presiones verticales transmitidas alcanzan profundidades importantes. El equipo no permite medir el efecto del humedecimiento. El ensayo C.B.R. y el ensayo de placa de carga permiten obtener los parmetros elsticos en la evaluacin de la sub-rasante. Sin embargo, en nuestro medio no se utiliza la prctica ingenieril recomendada por Valle Rodas, 1967 de ensayar muestras inalteradas. La ventaja del ensayo C.B.R. es la evaluacin de la influencia de la densidad natural y el humedecimiento.


Fig. 5.1 Ensayos para la Obtencin del Mdulo Elstico

En la Figura 5.2 se estudia el efecto de las cargas en el pavimento. Cada ciclo de carga produce en el suelo una componente de deformacin plstica, no recuperable y una componente de deformacin elstica, recuperable. Con los ciclos siguientes de cargas los incrementos de deformacin plstica producidos tienden a desaparecer, en cambio las deformaciones elsticas tienden a ser constantes. El Mdulo Resiliente, MR relaciona el esfuerzo aplicado y la deformacin elstica en la condicin estable o residual cuando el suelo presente un comportamiento elstico. El mdulo resiliente no representa el comportamiento total, desde el inicio del ciclo de cargas hasta el final. Sin embargo, el mdulo resiliente relaciona las cargas mviles o rpidas y las deformaciones instantneas resultantes. El valor del Mr puede ser 10 veces el valor del Mdulo Elstico. Los suelos granulares que conforman las capas del pavimento, presentan una adecuada gradacin y compactacin. El comportamiento de estas capas granulares, bajo los ciclos de carga, no presentar deformaciones plsticas significativas. Se asume que durante el adecuado proceso constructivo, las deformaciones plsticas se anularn. En este caso es apropiado modelar el comportamiento de las capas con el Mdulo Resiliente, MR. Al respecto la Gua AASHTO, 93 presenta valores establecidos en el laboratorio, basados en el valor CBR.

Fig. 5.2 Ensayos para Modelar el efecto de las Cargas en el Pavimento


El caso crtico lo constituye cuando la sub-rasante contiene fracciones importantes de finos limo-arcillosos. Es sabido que los suelos limo-arcillosos sometidos a cargas estticas permanentes presentan deformaciones diferidas (con el tiempo) asociado al fenmeno de consolidacin. Bajo cargas no permanentes, de corta duracin y repetidas, como son las cargas de trnsito, el tiempo que demorar en consolidarse ser mayor, lo que traduce en el mayor nmero de ciclos. Es decir, el adecuado proceso constructivo no ser suficiente para anular las deformaciones plsticas. El estado final Resiliente solo se consigue con un nmero grande de ciclos de carga y la deformacin plstica acumulable ser significativa. El mdulo Resiliente, MR al representar solamente el comportamiento deformacional final, no ser representativo del comportamiento del suelo. Las sub-rasante con componentes importantes limo-arcillosas sujetas a deformaciones plsticas acumulables significativas (bajo valor de CBR), estarn sujetas a dos alternativas: estabilizar primero el subsuelo para luego disear el pavimento o alejar el subsuelo de la influencia de las cargas (considerando un espesor mayor de relleno granular) esto es, del bulbo de presiones generadas por las cargas de trnsito. 5.3 Subrasante La sub-rasante es el nivel superior de la plataforma de una carretera..donde se coloca la estructura del pavimento (EG-2000, MTC). Sin embargo, el concepto de capacidad de soporte a nivel de sub-rasante o simplemente capacidad de soporte de la sub-rasante implica la evaluacin estructural y por consiguiente la determinacin de la respuesta mecnica del subsuelo hasta la profundidad donde pueden generarse deformaciones significativas. La rehabilitacin de carreteras y pavimentos urbanos exige disponer anualmente de montos importantes del Presupuesto de la Nacin. En los EE.UU. tambin ocurri esta misma situacin hace ms de 10 aos. La conclusin fue que los mtodos de diseo de estructuras de pavimentos eran bsicamente empricos y los conceptos de la mecnica estructural que se haban incorporado en las ltimas dcadas a la ingeniera civil, an no se haban incorporado en la ingeniera de pavimentos. Actualmente la tendencia en los EE.UU. y pases europeos es considerar perodos de diseo de 40-50 aos mediante estructuras denominadas pavimentos perpetuos, que no requieren mantenimiento durante los

primeros 20 aos. En la estructura de pavimento, las capas (elementos estructurales) que componen el pavimento no presentan asentamientos significativos, siendo la sub-rasante o cimentacin del pavimento propenso a deformarse. Entonces, la primera conclusin es que las fallas estructurales que an se presentan en nuestro medio, se deben a una limitada, incorrecta y no actualizada metodologa de evaluacin de la sub-rasante. La ingeniera geotcnica nos describe un pas donde se presentan suelos con respuesta mecnica variadas, utilizando trminos como: suelos colapsables, expansivos, densificables, licuables, compresibles, suelos inestables no consolidados o de formacin reciente (mdulos elsticos menores a 100 kg/cm2), cuyo comn denominador es presentar deformaciones significativas que afectarn estructuras de concreto y ms an a estructuras que admiten mucho menor valor de asentamiento admisible (menor a 1mm), como son las estructuras de pavimento. Definitivamente, un asentamiento mayor ocasiona la fatiga prematura de la carpeta asfltica, elemento que es muy rgida (mdulo elstico superior a 30,000 kg/cm2).

En nuestro pas, muchas generaciones de ingenieros utilizan el ensayo CBR, ASTM D 1883 para determinar la capacidad de soporte de la sub-rasante, sin embargo, no se considera la humedad ni la densidad in situ. Se asume generalmente que la capacidad de soporte de la sub-rasante es el resultado del ensayo asociado a la Mxima Densidad Seca del ensayo Proctor Modificado. Si bien es cierto que el ensayo CBR de campo es costoso y no sera recomendable realizarlo, existe otra alternativa


propuesta basado en utilizar el mismo molde CBR, llevarlo al campo y con ello extraer una muestra inalterada. En suelos finos, areno-limosos, los suelos ms susceptibles a presentar alta deformabilidad se prestan para esta prctica. En el laboratorio, se realiza la prueba de penetracin sobre la muestra en condiciones naturales obtenida con el molde CBR, obtenindose un valor representativo del comportamiento de la sub-rasante.

En depsitos de suelos granulares con presencia de boleos y bloques no consolidados de formacin reciente, generalmente como resultado de fenmenos geodinmicos presentarn deformaciones permanentes acumulables debido a la densificacin producida por el impacto de las cargas dinmicas de trnsito. En este aspecto, es preciso indicar que la deformacin de estos suelos suelen ser de magnitudes similares a los suelos limo-arcillosos compresibles. Ensayos para medir las deformaciones producidas en suelos granulares sueltos utilizando la mesa vibradora arrojaron resultados ilustrativos.

5.4 Teora elstica de medios semi-infinitos El clculo de los esfuerzos transmitidos al terreno debido a la aplicacin de las cargas de trnsito se basa en las siguientes consideraciones:

a) Se asume que el terreno se comporta elsticamente; es decir, que las deformaciones que se generan sern proporcionales a las cargas aplicadas.

b)

Donde: relacin de poisson r deformacin radial a deformacin axial b) La aplicacin de una carga circular uniforme genera esfuerzos (normales y tangenciales) en el terreno.


Se utiliza un sistema de coordenadas cilndricas donde z, r y t, son esfuerzos normales y zr es el esfuerzo tangencial. Los cuatro componentes definen el estado de esfuerzos en el punto inferior (r,z). c) La aplicacin de la Teora Elstica, basado en la integracin numrica de la solucin de Boussinesq (1885). Considerando un medio homogneo, elstico, isotrpico y semi-infinito, se tiene:

5.5 Aplicacin de la solucin de Boussinesq y la Teora Elstica Considerando una carga circular uniformemente repartida de magnitud q, y un plano horizontal cualquiera a una profundidad z1, se tendrn los mximos esfuerzos verticales transmitidos, zmx, cuando r=0 (punto ubicado en el eje vertical).


Segn Foster y Ahlvin (1954) tenemos los valores de zmx, z y la deflexin (asentamiento mximo en el centro del rea circular para z=0= es: a) Esfuerzo mximo vertical (en el eje vertical)

Note que el z es independiente de E y . b) Deformacin mxima vertical (en el eje vertical)


c) Deflexin vertical mxima en la superficie y en el centro de la carga circular.

Sistema de 2 capas Para un sistema de dos capas como:


a) Esfuerzos verticales

Los esfuerzos verticales en un sistema de dos capas dependen de la relacin de los mdulos E1/E2

y la relacin h1/a. La figura 5.5 muestra el efecto de la capa de pavimento en la distribucin de

esfuerzos verticales bajo el centro del rea circular cargada.

Figura 5.5: Esfuerzos Verticales en Medios de 02 Capas

Para la carta mostrada la v=0.5 asumida para todas las capas. Se puede observar que los esfuerzos

verticales decrecen significativamente con el incremento de la relacin de mdulos. En la interface

pavimento-subrasante, el esfuerzos vertical es aproximadamente el 68% de la presin aplicada si

E1/E2=1, y se reduce alrededor del 8% de la presin aplicada si E1/E2=100.


b) Deflexiones verticales (asentamientos)

La deflexin vertical superficial se usa como criterio en el diseo de pavimentos. La figura 5.6 se

puede usar para definir las deflexiones verticales de sistemas de 2 capas.

Figura 5.6: Deflexiones Verticales en la Superficie para

Sistemas de 02 Capas (Burmister 1943)

La deflexin se expresa en funcin del factor de deflexin F2 por:

El factor de deflexin est en funcin de E1/E2 y h1/a.


CAPITULO 6: ESTUDIO DE TRNSITO PARA DISEO DE PAVIMENTOS

6.1 Introduccin Este captulo proporciona criterios y mtodos para determinar el trfico que soportar una va durante su perodo de vida y en el carril de diseo. Es de primordial importancia conocer el tipo de vehculo, el nmero de veces que pasa y el peso por eje de ese tipo de vehculo. 6.2 Definiciones Se darn algunas definiciones y conceptos de ingeniera de trnsito: Tipos de eje Eje sencillo: Es un eje con una o dos ruedas sencillas en sus extremos.

Volumen de trnsito Se define como el nmero de vehculos que pasan por un punto o un carril durante una unidad de tiempo. Sus unidades son vehculos/da; vehculos/hora, etc. Indic Medio Diario, IMD


Es el promedio del nmero de vehculos que pasan por un punto durante un perodo de tiempo. Segn el perodo de anlisis para medir el volumen, podr ser indice medio diario anual, IMDA, indice medio diario mensual (IMDM) o indice medio diario semanal (IMDS). Por ejemplo, de un aforo realizado durante una semana se obtuvieron los siguientes resultados:

Das N vehculos Lunes 150 Martes 180

Mircoles 120 Jueves 200 Viernes 120 Sbado 180 Domingo 150

IMDS 157 6.3 Reglamento Nacional de Vehculos El D.S.N034-2001-MTC titulado Reglamento Nacional de Vehculos, reglamenta entre otras cosas los pesos y dimensiones mximas de los vehculos para transporte terrestre. Clasificacin vehicular Furgoneta Vehculo automotor para el transporte de carga liviana, con 3 4 ruedas, con motor de no ms de 500 cm3 de cilindrada.

Automvil Vehculo automotor para el transporte de personas normalmente hasta de 6 asientos y excepcionalmente hasta de 9 asientos.

Station Wagon Vehculo automotor derivado del automvil que al rebatir los asientos posteriores, permite ser utilizado para el transporte de carga.

Camioneta pick-up Vehculo automotor de cabina simple o doble, con caja posterior destinada para el transporte de carga liviana y con un peso bruto vehicular que no exceda los 4,000 kg.

Camioneta panel Vehculo automotor con carrocera cerrada para el transporte de carga liviana con un peso bruto vehicular no exceda los 4,000 kg.

Camioneta rural Vehculo automotor para el transporte de personas de hasta 17 asientos y cuyo peso bruto vehicular no exceda los 4,000 kg.

mnibus Vehculo autopropulsado, diseado y construido exclusivamente para el transporte de pasajeros y equipaje, debe tener un peso seco no menor de 4,000 kg. Camin Vehculo autopropulsado motorizado destinado al transporte de bienes con un peso bruto vehicular igual o mayor a 4,000 kg. Puede incluir una carrocera o estructura portante. Remolcador o Tracto camin


Vehculo motorizado diseado para remolcar semirremolques y soportar la carga que le transmite estos a travs de la quinta rueda. Remolque Vehculo sin motor diseado para ser jalado por un camn u otro vehculo motorizado, de tal forma que ninguna parte de su peso descanse sobre el vehculo remolcador. Semirremolque Vehculo sin motor y sin eje delantero, que se apoya en el remolcador transmitindole parte de su peso, mediante un sistema mecnico denominado tornamesa o quita rueda.


Definiciones El captulo 4 del D.S.N034-2001-MTC, considera los pesos y medidas vehiculares, a continuacin se darn algunas definiciones para un mejor entendimiento.

Capacidad de carga carga mxima permitida para lo cual fue diseado el vehculo. Es la diferencia entre el peso bruto vehicular y la tara del vehculo. Carrocera Estructura que se adiciona al chasis de forma fija, para el transporte de carga y/o personas. Chasis Estructura bsica del vehculo, compuesta por el bastidor. El tren motriz y otras partes mecnicas relacionadas. Eje motriz Eje utilizado para transmitir la fuerza de traccin. Eje no motriz Eje que no transmitir fuerza de traccin. Eje(s) delantero(s) Eje(s) situado(s) en la parte anterior del chasis. Eje(s) central(es) Eje(s) situado(s) en la parte central del chasis. Eje(s) posterior(es) Eje(s) situado(s) en la parte posterior del chasis. Eje simple (un solo eje) Constituido por un solo eje no articulado a otro, que puede ser, motriz o no, direccional o no anterior, central o posterior. Eje doble (tndem) Es el conjunto constituido por dos (2) ejes articulados al vehculo por dispositivo(s) comn(es) separados a una distancia determinada pudiendo ser motriz o no motriz. Eje triple (trdem) Es el conjunto de tres (3) ejes articulados al vehculo por dispositivo(s) comn(es) separados a una distancia determinada pudiendo ser motriz o no motriz. Peso legal Es la carga mxima por eje permitida en los diferentes tipos de carreteras de acuerdo a este reglamento. Peso bruto vehicular simple Tara del vehculo ms la capacidad de carga. Peso bruto vehicular combinado Peso bruto vehicular de la combinacin camin mas remolque, y/o tracto-camn ms semirremolque o camin ms remolque balanceado. Peso mximo por eje Es la carga permitida segn el tipo de eje. Tara de un vehculo (peso seco) Peso del vehculo, en orden de marcha, excluyendo la carga (incluye el peso del combustible con los tanques llenos, herramientas y neumticos de repuesto). Trailer Vehculo no motorizado con dos o ms ejes que es remolcado por un camin. Volquete Vehculo diseado con un dispositivo mecnico para volcar la carga transportada. Eje doble (no tndem)


Es el conjunto constituido por dos (2) ejes separados a una distancia determinada pudiendo ser motriz o no motriz.

Peso Vehicular El peso mximo por eje independiente o grupos de ejes permitido a los vehculos para su circulacin por las vas de nuestro pas, es el siguiente:

El peso bruto vehicular mximo es de 48,000 kg. El exceso de peso permitido por eje se denominar tolerancia:

Eje(s) Neumticos Tolerancia

Simple 02 350 kg Simple 04 550 kg

Doble 06 800 kg Doble 08 900 kg Triple 10 1,150 kg Triple 12 1,250 kg

6.4 Perodo de diseo El pavimento puede ser diseado para soportar el efecto acumulativo del trnsito durante cualquier perodo de tiempo. El perodo seleccionado en aos, para el cual se disea el pavimento, se denomina perodo de diseo. Al final de este perodo puede esperarse que el pavimento requiera trabajos de rehabilitacin, para devolverle a la va un adecuado nivel de transitabilidad.


El peso bruto mximo permitido para unidad o combinacin de vehculos es de 48,000kg. Reglamento Nacional de Vehculos, Decreto Supremo N 034-2001-MTC, publicado en El Peruano, el 25 de julio del 2001, Pg. 207452

6.5 Carril de diseo Para calles y carreteras de dos carriles, el carril de diseo puede ser cualquiera de los dos, mientras que para calles y carreteras de carriles mltiples, generalmente es el carril externo. Bajo ciertas condiciones, es probable que haya mayor trnsito de camiones en un sentido que en otro. En muchos sitios los camiones circulan cargados en un sentido y vacos en otro. Las recomendaciones del Instituto del Asfalto y la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), son:


AASHTO Parte del conteo en ambas direcciones, el factor direccional recomendado es de 50%, aunque este valor puede variar entre 30 a 70%. El trfico en un sentido se separa para el carril de diseo segn la recomendacin:

N carriles en 1 direccin

%ESAL en el carril de diseo

1 2 3 4

100 80-100 60-80 50-75

ESAL Equivalent Single Axle Load

6.6 Crecimiento del Trnsito El pavimento debe ser diseado para servir adecuadamente la demanda del trnsito durante un perodo de aos; por lo tanto, el crecimiento del trnsito se debe anticipar. El crecimiento puede considerarse como el Factor de Crecimiento:

Factor de Crecimiento

Donde: R tasa de crecimiento anual, % N perodo de diseo en aos


6.7 Estimacin del ESAL El trnsito proveniente del conteo vehicular debe ser dividido para el carril de diseo. El volumen de trnsito del carril de diseo, se convierte a un determinado nmero de ESAL, que es equivalent single axle load, que es el parmetro usado en el diseo de la estructura del pavimento. El ESAL es un eje estndar compuesto por un eje sencillo con dos ruedas en los extremos. El ESAL pesa 18,000 lb 8.2 tn 80 kN, y se considera que ejerce un efecto daino sobre el pavimento como 1.

6.8 Factor de Equivalencia de Carga Con el objeto de evaluar el efecto daino, en un pavimento flexible, de las cargas diferentes a un eje estndar, se han considerado factores de equivalencia de carga por eje, FEC. Estos valores se obtuvieron a partir de los resultados experimentales de la AASHO Road Test. Los resultados obtenidos han permitido determinar que la equivalencia entre cargas diferentes transmitidas al pavimento por el mismo sistema de ruedas y ejes, se expresa como:

Donde: P0 es la carga estndar y P1 es la carga cuya equivalencia de dao se desea calcular. En la tabla 6.1 se muestran los factores de equivalencia de carga publicada en la Gu AASHTO 1986.


6.9. FACTOR CAMIN, FC

Se entiende por factor camin al nmero de aplicaciones de ejes estndar de 80 kN, correspondiente al

paso de un vehculo. El factor camin se puede obtener por pesaje. El peso es un mtodo costoso para

proyectos pequeos; por lo tanto, cuando se deba efectuar el diseo para un tramo de va en la cual no se

tengan datos sobre el pesaje quedan dos alternativas:

a) asumir el F.C. conocido de una va cuyas caractersticas sean similares. b) Estimar el F.C. por algn mtodo emprico.

Se puede emplear el D.S. N034-2001-MTC del 25 de julio del 2001, pgina 207449 de El Peruano. En el

captulo VIII de la mencionada norma se publican las dimensiones y pesos por eje de vehculos pesados. Los

autos no se incorporan en la presente norma, porque como se vio en los ejemplos, el paso de un vehculo

ejerce un dao no significativo en el pavimento.

6.10. DETERMINACIN DEL NMERO DE EJES EQUIVALENTES EN EL CARRIL DE DISEO

PARA EL PERODO DE DISEO.

Una vez determinado el nmero acumulado de vehculos que transitarn en el carril de diseo y durante el

perodo de diseo, es posible convertir sta cantidad de vehculos a ejes simples equivalentes de 8.2 tn.

Mediante el factor camin. El ESAL es el siguiente:

ESAL = (N vehculos FC vehculo )


CAPITULO VII DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

7.1. Introduccin Asumir la configuracin del pavimento: Capas, espesor, materiales

Determinacin simplificada del ESAL de diseo (Instituto del Asfalto) (AI, 1981)

Clase Trfico

Tipo de calle O carretera

Rango de cantidad de camiones esperado en el

periodo de diseo ESAL

I

Parqueos, garaje Trfico liviano en calles Residenciales Trfico liviano en carreteras

Menor que 7000 5 x 103

II Calles residenciales, carreteras rurales y residenciales

De 7000 a 15 000 camiones 104

III

Calles colectores, urbanas menores Calles colectores rurales menores

De 70 000 a 15 000 camiones

105

IV

Arterias urbanas menores y calles industriales livianas, colectores rurales mayores y arterias menores de autopistas

De 700000 a 1500000 106

V

Autopistas de trnsito libre, vas expresas y otras arterias principales. Carreteras rurales inter estatales y otros vas principales

De 2000 000 a 4500 000

3 x 106

VI Carreteras interestatales Urbanas y carreteras rurales

De 70000 000 A 15 000 000

107

Donde: Zr : Desviacin normal en funcin de la confiabilidad Pt : Servicibilidad para el tiempo T So : Desviacin estandar para pavimentos flexibles. Varia de 0,35@ 0,45 Mr : Mdulo de resiliencia SN : Nmero estructural

7.2. MTODOS DE DISEO DE PAVIMENTOS

1) Mtodo de ndice de grupo


La carga en los vehculos por rueda es de 7000 libras (4086 KgF) para un mximo de 15% del total.


Caractersticas Condiciones

a) Para terreno de fundacin debidamente compactados a una humedad ptima y densidad mx. no menos del 55% de la densidad mx. obtenido por el mtodo AASHTO 99

b) Para subase y base compactadas a no menos del 100% Los sistemas de drenaje subterrneo y superficial son buenos y que el nivel de la napa freatica se encuentra a una profundidad no perjudicial para la estabilidad del terreno de fundacin (> a 2m)

Para mezclas en fro o en caliente hechos en planta o el sitio de la obra as como los MACADAM de penetracin, comnmente tienen espesores comprendidos entre 5cm y 10 cm.

2) Instituto de Asfalto de los EEUU El mtodo es el resultado de las investigaciones en la pista de nueva de la carretera experimental AASHO alla por los aos 40 en EEUU propuso la AASHO el estudio de una carretera en circuito (1956)

Mtodo del Instituto del asfalto

Estn basados en la investigaciones de la punta de prueba de la carretera experimental AASHO (1956) Illinois EEUU. Se basan en los siguientes supuestos: 1ro El trnsito probable para un periodo de 20 aos, referido a un eje simple de 18 kips o 18000 libras fuera un 80 KN que es la carga patrn legal en los EE.UU. El trnsito se conoce como el valor de trnsito para el diseo y es determinada en funcin trnsito diario inicial, que es el promedio en ambos direcciones, estimado para el primer

ao de servicio.


Los grficos correspondientes (arriba) muestran cuatro desviaciones que clasifican bsicamente el trnsito. Podemos detallar a continuacin: - Calle Se considera calle cuando el trnsito en un 95% o ms son automviles y pequeos

camiones. Ocurren en reas residenciales y reas con industria ligera.

- Carreteras urbanas son aquellas que tienen un a% elevado de trnsito de automviles y camiones pequeos, El volumen de trnsito pesado es solamente hasta el 5%. En reas altamente industrializadas donde el volumen de camiones pesados puede llegar hasta un 20% se considera la porcin superior de la franja.

- Carretera rural.- El trnsito en un 85% o ms esta compuesto por automviles y camiones pequeos, La parte superior de la franja correspondiente es utilizado cuando el volumen de camiones pesados /y la parte inferior) se considera relativamente grande. La parte inferior de la franja correspondiente es utilizado para el trnsito en zonas industriales mineras o madereras.

- Carreteras interurbanas.- Es cuando el 75% de trnsito esta compuesto por automviles y camiones pequeos, La franja de la parte superior de la Franja correspondiente se utilizar para las zonas ms industrializadas y la parte inferior de la franja correspondiente se emplear parra las reas tpicamente rurales.

- El mtodo considera la resistencia o valor de soporte del suelo de fundacin (subrazante) en funcin: - 1ro al CBR - 2do ensayo de placa (considerando una placa rgida de 30 cm de dimetro y un

asentamiento de 5mm para 10 repeticiones de carga. - 3ro. Mediante el valor R del mtodo de HVEEM. El mtodo considera que el ndice o valores de trnsito estn relacionados con la capacidad portante del suelo de fundacin, donde el espesor del pavimento flexible se determina utilizando el siguiente baco.

Trnsito ndice o valor de

trnsito


Liviano Mediano Pesado

Muy pesado

0 -1 0 10 100

100 1000 > 1000

Trnsito por da en dos direcciones

Via interurbana

ndice o valor de trnsito

100 200 400 1000 2000 4000

20 000

30 50 100 300 500 1000 5000

CAPACIDAD DE SERVICIO Es un parmetro que introduce un valor de seguridad y comodidad y que el mtodo considera 2,5 para los 20 aos de periodo de servicios de la carretera. DRENAJE Y COMPACTACION Los drenajes superficiales y subsuperficial deben ser los ms adecuados y deben cumplir de manera cabal sus condiciones de drenaje y por otro lado los materiales empleados en la construccin de las diferentes capas del pavimento flexible deben estar debidamente compactadas de acuerdo a las normas vigentes.

REQUISITOS DE LA BASE GRANULAR

Ensayo Trnsito liviano Trnsito mediano pesado

CBR, Mnimo 80 100

R de resistencia por el mtodo de HVEEM

78 80

Lmite lquido 25 25

ndice de plasticidad mximo

6 3

Equivalente de arena mnimo

30 50

REQUISITOS PARA UNA CAPA SUB BASE GRANULAR

Ensayo

CBR, Mnimo 20

R de resistencia por el mtodo de HVEEM

55

LL 25

Ip. Mximo 6

Equivalente de arena mnimo

25


CONDICIONES DE COMPACTACION DEL SUELO

VALOR DE TRNSITO PARA EL DISEO

COHESIVO CAPA (MINIMO)

NO COHESIVO CAPA (MINIMO)

100

6-12 12-18 18-24

6-12 12-18 18-24

Grado de compactacin >100% >95%

ESPESOR DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE

ESPESORES MNIMOS DE CAPA EN FUNCION DEL VALOR DE TRANSITO PARA EL DISEO

VALOR DE TRNSITO PARA EL DISEO

ESPESOR MNIMO DE LA CAPA DE RODADURA SOBRE UNA BASE DE

CONCRETO ASFALTICO

100

2,5 cm (1) 3,8 cm (1 )

5 cm (2)

RELACIONES ENTRE MATERIALES

1) 2 a 1; Base granular a concreto Asfltico 2) 2,7 a 1; Sub base granular a concreto asfltico 3) 1,35 a 1; sub base granular a base granular

CASO 1 1. Sustitucin parcial de base de concreto asfltico con base granular

CBR ITD TA ITD AA Tm TRBG = TA Tm base granular TA es el espesor total de la capa de rodadura TEBE = 2(TRBG)

2. Sustitucin Parcial de Base de concreto asfltico con sub base granular CBR ITD TA ITD BB Tm TRBG = TA Tm SBG = Sub base granular TESBG = 2,7 (TRSBG)

3. Sustitucin Parcial de Base de concreto asfltico con base granular y sub base granular CBR ITD TA ITD AA Tm ITD BB Tm SBG TRBG = TmBG TmsBG TEBG = Z (TRBG) TRSBG = TA TmBG TESBG = 2,7 (TRSBG)

MTODO DE LA AASHTO Basado en las siguientes variables de diseo: VARIABLES DE DISEO


1) RESTRICCIONES DE TIEMPO Periodo de desempeo.- Se refiere al tiempo inicial que una estructura de pavimento requerira antes una rehabilitacin o es el tiempo de desempeo entre dos operaciones de rehabilitacin. Es equivalente al tiempo transcurrido como una estructura nueva, reconstruida o rehabilitada desde su serviciabilidad final. La seleccin del periodo de desempeo puede ser afectado por factores como la clasificacin funcional del pavimento el tipo y nivel de mantenimiento aplicado, fondos disponibles para construccin inicial, costo del ciclo de vida o vida til y otros consideraciones ingenieriles. Periodo de anlisis.- Es el periodo de tiempo que cualquier estrategia de diseo debe cubrir puede ser dentro a la seleccin del periodo de desempeo, sin embargo las limitaciones del desempeo realsticos pueden necesitar la consideracin de una etapa de construcciones rehabilitacin planeando para el periodo de diseo deseado. Antiguamente se consideraba 20 aos de periodo de desempeo.

Recomendaciones para el periodo de anlisis

Condiciones de la carretera Periodo de anlisis

Alto volumen Urbano Alto volumen rural Baja volumen va pavimentada

30 50 aos 20 50 15 -25

Bajo volumen V.A. No pavimentada 10 -20 aos

2) TRFICO El procedimiento de diseo est basado en la experiencia acumulada de la carga equivalente de eje simple (ESAL) eje de 18 Kips. Si el pavimento es diseado para el periodo de anlisis sin ninguna rehabilitacin o recapeavimento, entonces ser requerido en el total del ESAL las cargas correspondientes. 3) CONFIABILIDAD (RELIABILITY) Bsicamente es un medio de incorporacin de algn grado de confiabilidad en el proceso de diseo para asegurar que las alternativas de diseo podran abarcar el anlisis de diseo final.

Recomendaciones de niveles de confiabilidad para varias clasificaciones funcionales.

Clasificacin funcional

Nivel recomendado de confiabilidad

Urbano Rural

Carreteras interestatales 85-99,5 80-99,9%

Arterias o calles principales 80-99 75-95

Colectores 80-95 75-95

Locales 50-80 50-80

La aplicacin del concepto de confiabilidad requiere de la seleccin de una desviacin estndar que es representativa de las condiciones locales. 0,45 Pavimentos flexibles (varianza 0,2025) 0,35 Pavimento rgido (varianza 0,1225) R Etapa = (R total)1/12 R. Confiabilidad H No es de etapas consideradas (si son contempladas dos etapas) y el nivel de confiabilidad total deseada es de 95% la confiabilidad de cada etapa. R Etapa = (0,99)1/2 = 0,975


4) EFECTOS AMBIENTALES Las ecuaciones de diseo AASHTO se basaron en el resultado del ensayo del trfico de dos periodos por ao. Los efectos de la temperatura y la humedad sobre la reduccin de la serviciabilidad no fueron incluidos. La reduccin ambiental es una suma de las prdidas por expansin y profundidad de congelamiento. 5) SERVICIABILIDAD Los ndices de serviciabilidad inicial y final deben ser establecidos para calcular los cambios en la serviciabilidad.

(PSI) Para ser usados en las ecuaciones de diseo. El ndice de serviciabilidad inicial es una funcin del tipo de pavimento y calidad de construccin. 4,2 para pavimentos flexibles 4,5 Para pavimentos rgidos El ndice de serviciabilidad final es el menor ndice que podra ser tolerado antes de la rehabilitacin, recapeamiento y reconstruccin necesarios. El ndice de serviacibilidad final de 2,5 o mayor es recomendado para el diseo de grandes carreteras y 12,0 para carreteras con bajo trfico. 6) ECUACIONES DE DISEO

La ecuacin anterior describe el desempeo que da el # admisible de aplicaciones de una carga de eje simple (18 klb) W18 = Wt18 considera la confiabilidad del diseo en solo 50% ya que todos los variables son basadas en valores medios. Donde: Mr es el mdulo de resiliencia del subgrado Pt es la serviciabilidad al final del tiempo T SN nmero estructural SN = aD + a2D2m2 + a3D3m3 m2: coeficiente de drenaje de la base granular m3: coeficiente de drenaje de la subbase granular a1, a2, a3: son los coeficientes de capa superficial, capa de base granular y capa de sub base granular, respectivamente. Para cumplir un alto nivel de confiabilidad, W18 debe ser menor que Wt18 por un valor correspondiente a la desviacin normal ZR.

So

WtWZR 1818

loglog

ZR: Desviacin normal para una dada confiabilidad So: Desviacin estndar


7) COEFICIENTE DE MDULO DE RESILIENCIA EFECTIVO DEL SUB GRADO La ecuacin para evaluar el dao relativo en pavimentos flexibles. Mf dao relativo y el clculo de MR son descritas a continuacin:

32,2818 1018,1

RMx

CW

Donde el Log C es la suma de los trminos de la ecuacin de diseo. El trfico total predeterminado es WT y la relacin de dao.

)32,2

MR8

10x18,1(C

WTDr

n

i i

t

MRxc

nWDr

18 )1018,1/(

/

32,2

Donde: MR mdulo de resiliencia estacional igualando (1) y (2)

32,28

n

1i

32,2

i832,28

MR10x18,1f

MR10x18,1n

1MR10x18,1

u

8) NMERO ESTRUCTURAL Es funcin del espesor de cada capa, coeficiente de capa y coeficiente del drenaje. - Coeficiente de capa

Concreto asfltico

)1,3000,150(44,01 GPaPSIMRa

Base no tratada y estabilizada A2= 0,249 (log E2)-0,977 AASHO a2 = 0,14 mnimo Me = 30000 PSI (2,07 MPa)

2K,K2E

Donde es el estado de tensiones K1 y K2 son coeficientes y dependen de la humedad.

Valores tpicos de K1 y K2 para base no tratada

Condicin de humedad K1 K2

Seca 6000-10000 0,5 -0,7 Ligeramente hmedo 4000 -6000 0,5-0,7 Hmedo 2000-4000 0,5-0,7


Valores tpicos de estado de tensiones para base granular. Concreto asfltico

Espesor (pulgadas)

Mdulo resiliente 3000

De 7500

Sub grado 15 000

6

20 10 5 5

25 15 10 5

30 20 15 5

- SUB BASE GRANULAR

)104(15000)(11,0

839,0)(log227,0

3

3

MPaPSIMRParaAASHOa

Ea

Valores tpicos de Ka y K2 para sub bases granulares

Condicin de humedad K1 K2

Seco 6000-8000 0,4 0,6

Ligeramente hmedo 4000-6000 0,4-0,6

Hmedo 1500-4000 0,4-0,6

Valores de mdulo de resiliencia AASHO para sub base granulares

Contenido de

humedad

K1 K2 Estado de tensiones (PSI) 5 7,5 10

Ligeramente hmedo

5400 0,6 14183 18090 21497

Hmedo 4600 0,6 12082 15 410 18 312

COEFICIENTE DE DRENAJE m2 y m3 Recomendaciones AASHTO

Calidad de drenaje Porcentaje de

pavimento humedad

Tiempo de la expuesta aproximada

Estructura en los niveles de saturacin

Calificacin Agua evacuada 25%

Excelente Bueno

Regular Pobre

Muy pobre

1 hora 1 da

1 semana 1 mes

Nunca drenado

1,40-1,35 1,35-1,25 1,25-1,15 1,15-1,05 1,05-0,95

1,35-1,30 1,25-1,15 1,15-1,05 1,05-0,80 0,95-0,75

1,30-1,20 1,15-1,00 1,00-0,80 0,80-0,60 0,75-0,40

1,20 1,00 0,80 0,60

0k,40

ESPESOR MNIMO Es impracticable y anti econmico utilizan capas de material menores que el espesor mnimo para determinar las capas mnimas existe un procedimiento general.


1. Utilizando E2 como MR determinar SM1 de la figura requerida para proteger la base y calcular el espesor de la capa 1 con esa expresin.

1

11

a

SND

2. Utilizando E3 como MR determinar SN2 de la fig. requerida para proteger la sub base y calcular el espesor de la capa 2

22

12

21

ma

aSND

D

3. Basado en el Mdulo de resiliencia del sub grado de terminar el nmero estructural SN3 requerido calcular el espesor de la capa 3 con la expresin

33

2221133

ma

mDaDaSND

Recomendaciones para determinar el espesor mnimo de la carpeta de rodadura.

Espesor mnimo para carpeta de rodadura y base (AASHTO, 1986)

TRFICO (ESAL) CONCRETO ASFALTICO

BASE

< 5 0000 50001 15000 150001 500000 500001 2000000 2000000 7000 000 >7 000 000

1 2

2,5 3

3,5 4

4 4 4 6 6 6

DISTRIBUCION EMPIRICA DE ESFUERZOS

Contacto circular

niveleseenaresistenciidaredistribuacq

HB

Bq

HB

qB

HB

Bqq

HBA

BDA

arg

)()(

4

4

)(4

44

1

2

2

2

2

2

1

2

1

22


CAPITULO 8: DISEO EMPIRICO-MECANISTICO DE PAVIMENTOS ASFLTICOS 8.1 Introduccin De acuerdo con Huang (1993), los mtodos de diseo de pavimentos se clasifican en 05 categoras: mtodos empricos con o sin ensayos de resistencia de suelos, mtodo de falla cortante lmite, mtodo de deflexin lmite, mtodo de regresin basado en el comportamiento de pavimentos o ensayos en pistas de prueba y mtodos empricos mecansticos. Un buen ejemplo del uso de ecuaciones de regresin para el diseo de pavimentos corresponde a la Gua AASHTO para el Diseo de Estructuras de Pavimentos, principal documento utilizado por las agencias de transportes en los EE.UU. para el diseo y rehabilitacin de pavimentos de carreteras. Las Administracin Federal de Carreteras, FHWA de los EE.UU. indica que el 80% de las agencias utilizaban la versin de 1972, 1986 1993 de la Gua de Diseo de Pavimentos de la AASHTO. Todas las versiones mencionadas fueron basadas en la ecuacin resultante del comportamiento de la pista de pruebas de la AASHO en la dcada de 1950. Entre las limitaciones encontradas se han listado las siguientes: a. La pista de pruebas no consider tramos, ni procedimientos de rehabilitacin de pavimentos y fueron

realizados en un solo lugar, existiendo problemas para predecir el comportamiento bajo condiciones ambientales diferentes.

b. La pista de prueba consider un solo tipo de subsuelo y utiliz bases granulares no estabilizadas. Actualmente se ha demostrado la importancia de utilizar diferentes tipos de bases tratadas o reforzadas en subsuelos de baja capacidad de soporte.

c. El peso y geometra de los vehculos, las presiones de las llantas y el volumen de trfico se han incrementado sustancialmente en las ltimas cuatro dcadas.

d. El diseo se evalu en funcin del espesor del paquete que conformaban las distintas capas del pavimento. Actualmente, la aplicacin de la teora elstica permite que el diseo se evale y se determine la influencia de cada una de las distintas capas o elementos estructurales que componen el pavimento.

Aunque las ecuaciones de regresin pueden ilustrar los efectos de varios factores que influyen en el comportamiento del pavimento, el uso en el diseo de estructuras de pavimentos es limitado debido a que envuelve muchas incertidumbres. El mtodo emprico mecanstico se basa en la aplicacin de la mecnica estructural, que permite determinar la respuesta de los elementos estructurales que compone el pavimento, tales como esfuerzos, deformaciones y deslocamientos, debido a las cargas aplicadas por las ruedas, utilizando por cierto, los fundamentos y el modelamiento que permite la teora elstica. Los valores de la respuesta son utilizados para predecir el dao basado en ensayos de laboratorio y datos del comportamiento en campo. La dependencia existente de la metodologa, respecto al comportamiento, es necesaria debido a que la teora sola, no provee lo suficiente para un diseo confiable. La metodologa emprica mecanstica AASHTO 2002, por lo tanto, ya no utiliza una ecuacin de regresin para el diseo, sino recomienda la aplicacin de la teora elstica, modelando el medio mediante mltiples capas horizontales, homogneas, con comportamiento elstico en el caso de la sub-rasante y bases granulares y comportamiento viscoelstico en el caso de los materiales asflticos. La aplicacin del anlisis deformacional en el diseo de pavimentos flexibles tiene el objetivo de controlar las deformaciones en la estructura de pavimentos, incluyendo el terreno de fundacin. La magnitud de las deformaciones que se presenta en la estructura de pavimentos debido a las cargas mviles est asociada a la duracin del pavimento.


El anlisis deformacional constituye en la actualidad una herramienta de anlisis que permite considerar:

a. El tipo de superficie de rodadura y/o carpeta asfltica travs del mdulo dinmico. El parmetro del modelo considera las variaciones horarias y estacionarias y la velocidad del trnsito, en funcin de la categora de la va (pendiente, geometra, etc.).

b. El tipo de base y sub-base granular, bases y sub-bases estabilizadas asflticas y/o tratadas con cemento. Permite tambin determinar de manera directa el espesor del material estabilizado necesario para el diseo.

c. La estratigrafa del terreno de fundacin, la capa compactada y los estratos del terreno natural, as como la presencia de basamento rocoso.

d. La distribucin de los esfuerzos verticales de compresin en la sub-rasante y el terreno de fundacin.

e. La distribucin de esfuerzos horizontales y esfuerzos de traccin en las capas superficiales del pavimento. Esto permite evitar que la superficie de rodadura o carpeta asfltica sea sometida a esfuerzos de traccin que genere el agrietamiento prematuro.

El anlisis deformacional se realiza a travs

vias y pavimentos 2014

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