DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO

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1 DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO LINA MERCEDES MONSALVE ESCOBAR LAURA CRISTINA GIRALDO VASQUEZ JESSYCA MAYA GAVIRIA

2 DISEÑO DE PAVIMENTO FLLEXIBLE Y RIGIDO LINA MERCEDES MONSALVE ESCOBAR LAURA CRISTINA GIRALDO VASQUEZ JESSYCA MAYA GAVIRIA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL Armenia

3 DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO LINA MERCEDES MONSALVE ESCOBAR LAURA CRISTINA GIRALDO VASQUEZ JESSYCA MAYA GAVIRIA REVISADO POR: ING. MARIA ROSA GUZMAN MELENDEZ TITULAR DE LA ASIGNATURA DE PAVIMENTOS PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL Armenia

4 TABLA DE CONTENIDO PAG. 1. INTRODUCCIÓN OBJETIVOS Objetivo General Objetivos Específicos JUSTIFICACIÓN ALCANCE METODOLOGÍA Método AASHTO para el diseño de pavimentos flexibles Método racional para el diseño de pavimentos flexibles Método de la Portland Cement Association (PCA) MARCO TEÓRICO Estudios geotécnicos Caracterización geotécnica Tamaño de las partículas de suelo Curva de distribución granulométrica Consistencia del suelo Clasificación del suelo Pavimentos Clasificación de los pavimentos Diseño Marshall Diseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) Tránsito Cálculo del tránsito de acuerdo al manual de diseño de pavimentos 28 asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito (INVIAS) Niveles de tránsito Componentes de tránsito Determinación del nivel de confianza en la proyección del tránsito Conversión de vehículos a ejes equivalentes de 8.2 ton. Factores 30 de daño por tipo de vehículo Tránsito en el carril de diseño en función de ancho de la calzada. 31 Factor direccional (Fd) Tránsito acumulado en ejes equivalentes de 8.2 ton, en el carril 31 de diseño durante el periodo de diseño Pronóstico de la componente de tránsito normal Pronóstico de la componente de tránsito atraído Pronóstico de la componente de tránsito generado Cálculo del tránsito de acuerdo al manual de diseño de pavimentos de 35 concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de tránsito (INVIAS) Factor camión (Fc) Cuantificación del tránsito en una vía Tránsito promedio diario (TPD) 38 4

5 Periodo de diseño y vida útil Clasificación de las vías Asignación del tránsito según las características y el ancho de la 39 vía Porcentaje de vehículos para el carril de diseño Ensayo California Bearing Ratio (CBR) Modulo resiliente Modulo de reacción de la subrasante Modulo dinámico Witczak Leyes de Fatiga DESARROLLO PRÁCTICO Descripción de la vía Estudio de tránsito Tránsito pavimento flexible Tránsito pavimento rígido Evaluación de suelos Magnitud del estudio Trabajo de campo Características de los sondeos Perfil estratigráfico Caracterización estructura del pavimento Subrasante Subbase Base Carpeta asfáltica Diseño del pavimento flexible Método AASHTO Método racional Diseño de pavimento rígido Diseño de pavimento rígido mediante el método PCA CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ANEXOS 5

6 LISTA DE TABLAS PAG. Tabla 1. Límites de tamaño de suelos separados 17 Tabla 2. Sistema unificado de clasificación; símbolos de grupo para suelos 19 arenosos Tabla 3. Sistema unificado de clasificación, símbolos de grupo para suelos 20 limosos y arcillosos Tabla 4. Niveles de tránsito 28 Tabla 5. Factor daño por tipo de vehículo 30 Tabla 6. Tránsito por adoptar para el diseño según el ancho de la calzada. Factor 30 direccional (Fd) Tabla 7. Valores del parámetro Zr (suponiendo una distribución normal) 31 Tabla 8. Porcentaje de tránsito generado como función del tránsito normal 34 Tabla 9. Máximo peso por eje para los vehículos de transporte de carga 34 Tabla 10. Carga máxima admisible por vehículo 37 Tabla 11. Cargas patrón y exponenciales para el cálculo del Factor de 38 equivalencia Tabla 12. Clasificación de las vías 39 Tabla 13. Porcentaje de vehículos para el carril de diseño 40 Tabla 14. Valores de esfuerzo en la muestra patrón 41 Tabla 15. Clasificación del suelo de acuerdo a los valores de CBR 41 Tabla 16. Periodo de diseño (en años) recomendado 49 Tabla 17. Serie histórica y composición del tránsito promedio diario semanal 51 (TPDS) de la vía Santander de Quilichao Te de Villa Rica, estación 284 Tabla 18. Camiones de conteo total semanal y distribución porcentual, año Tabla 19. Factor direccional 53 Tabla 20. Factor carril para vías con diferentes números de carriles 53 Tabla 21. Factor daño por tipo de vehículo 54 Tabla 22. Valores de tránsito equivalente diario 54 Tabla 23. Valores de tránsito equivalente diario calculado 56 Tabla 24. Cálculo de la sumatoria de las diferencias al cuadrado de cada año de 57 la serie histórica y el año medio de dicha serie histórica Tabla 25. Error pronóstico para cada uno de los años del periodo de diseño 57 Tabla 26. Valores del parámetro Zr que asegura el nivel de confianza deseado 58 Tabla 27. Valores de corrección para cada año del periodo de diseño 58 Tabla 28. Ejes equivalentes para todos los años del periodo de diseño con 59 confiabilidad del 90% Tabla 29. Datos históricos de tránsito (estación 284) 59 Tabla 30. Corrección de datos históricos 61 Tabla 31. Tránsito promedio diario semanal (TPDS) calculado 62 Tabla 32. Cálculo de la sumatoria de las diferencias al cuadrado de cada año de 63 la serie histórica y el año medio de dicha serie histórica Tabla 33. Error de pronóstico para cada uno de los años del periodo de diseño 64 Tabla 34. Valores del parámetro Zr que asegura el nivel de confianza deseado 65 6

7 Tabla 35. Valores de corrección para cada año del periodo de diseño 65 Tabla 36. Ejes equivalentes para todos los años del periodo de diseño, con 66 confiabilidad del 90% Tabla 37. Número de repeticiones de carga 67 Tabla 38. Categorías de subrasante 75 Tabla 39. Datos de entrada para el método de la AASHTO 83 Tabla 40. Niveles de confiabilidad recomendada por AASHTO 83 Tabla 41. Capacidad del drenaje para remover la humedad 84 Tabla 42. Valores mi recomendados para modificar los coeficientes estructurales 84 de capa bases y subbases sin tratamiento Tabla 43. Datos para calcular espesores por método AASHTO 87 Tabla 44. Espesores mínimos admisibles para las capas asfálticas y la base 87 granular Tabla 45. Espesores pavimento flexible AASHTO 89 Tabla 46. Características de las capas de la estructura del pavimento asfáltico 89 Tabla 47. Coeficientes de Calage 91 Tabla 48. Características de las capas de la estructura del pavimento asfáltico 92 Tabla 49. Comparación de las deformaciones calculadas con las admisibles 94 Tabla 50. Influencia del espesor de la base en el valor de k 96 Tabla 51. Resistencia que debe alcanzar el concreto 96 7

8 LISTA DE FIGURAS PAG. Figura 1. Curvas de distribución del tamaño de partículas (curvas 17 granulométricas) Figura 2. Carta de plasticidad 21 Figura 3. Estructura típica de un pavimento asfáltico (flexible) 22 Figura 4. Estructura típica de un pavimento rígido 23 Figura 5. Estructura típica de un pavimento articulado 23 Figura 6. Esquema de clasificación de vehículos 29 Figura 7. Representación esquemática de los vehículos de transporte de carga 35 más comunes en el país Figura 8. Esquematización de los diferentes tipos de ejes y su carga máxima 36 Figura 9. Porcentaje de camiones en el carril de diseño 40 Figura 10. Esquema de clasificación de vehículos 49 Figura 11. Localización estaciones de conteo. Estación Figura 12. Perfil estratigráfico 73 Figura 13. Nomograma para calcular el coeficiente estructural de la subbase 76 granular Figura 14. Nomograma para calcular coeficiente estructural de la base granular 77 Figura 15. Indice de penetración nomogramas Van Der Poel 78 Figura 16. Temperatura de mezcla 79 Figura 17. Nomograma para el cálculo del modulo de rigidez de la carpeta 80 asfáltica Figura 18. Nomograma para el calculo del modulo de rigidez de la carpeta 81 asfáltica Figura 19. Coeficiente estructural de la carpeta asfáltica 82 Figura 20. Relación entre la clasificación del suelo y los valores de CBR y K 95 Figura 21. Diseño de pavimento rígido espesor 263 (mm) 97 Figura 22. Repeticiones esperadas de ejes simples 97 Figura 23. Repeticiones esperadas de ejes tándem 98 Figura 24. Repeticiones esperadas de ejes tridem 98 8

9 LISTA DE IMÁGENES PAG. Imagen 1. Ubicación vía de estudio 47 Imagen 2. Vía Santander de Quilichao Te de Villa Rica 48 Imagen 3. Número estructural 85 Imagen 4. Número estructural carpeta asfáltica (SN1) 85 Imagen 5. Número estructural carpeta asfáltica y base (SN2) 86 Imagen 6. Número estructural carpeta asfáltica, base y subbase (SN3) 86 Imagen 7. Determinación de esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV 89 para la estructura diseñada Imagen 8. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura 90 diseñada Imagen 9. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura 90 diseñada Imagen 10. Determinación de esfuerzos y deformaciones en el programa 92 DEPAV para la estructura diseñada Imagen 11. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la 93 estructura diseñada Imagen 12. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la 93 estructura diseñada LISTA DE GRÁFICOS PAG. Grafico 1. Variación histórica de autos 51 Grafico 2. Variación histórica de buses 52 Grafico 3. Variación histórica de camiones 52 Grafico 4. Modelos de regresión 55 Grafico 5. Tránsito equivalente diario del periodo de diseño con confiabilidad de 59 90% Grafico 6. Regresión lineal de la serie histórica del tránsito 61 Grafico 7. Regresión lineal de la serie histórica cde tránsito corregida 62 Grafico 8. Transito equivalente diario del periodo de diseño con confiabilidad de 67 90% 9

10 1. INTRODUCCION El Municipio de Santander de Quilichao, está ubicado en Colombia, en el sector Norte del Departamento del Cauca, a 97 Km al norte de Popayán y a 45 Km al Sur de Santiago de Cali, Valle del Cauca Este sector de gran importancia para la comunicación ya que corresponde a una vía indepartamental y municipal, lo que la convierte en una red vial de gran importante para la economía y el desarrollo del país. Para garantizar que la vía ofrezca un nivel de serviciabilidad adecuado que genere bienestar, confort y seguridad tanto al comercio, al turismo y al transporte urbano, es necesaria una vía que se encuentre en buen estado y que se ajuste a las condiciones tanto del tránsito, nivel de importancia y tipo de terreno. Con el objetivo de conseguir una vía que se acomode a las condiciones a la cuales es sometida, se realiza un estudio para el diseño de una pavimento flexible con el método de la AASHTO y el método racional, junto con un estudio de pavimento rígido por el método de la PCA. El presente informe tiene como objetivo mostrar los diseños de los pavimentos rígidos para un periodo de diseño de y flexibles con un periodo de diseño de 20 años, para el municipio Santander de Quilichao con un periodo de diseño, que permitan sustituir el actual pavimento que no presenta condiciones adecuadas. Para esto l se hace necesario un análisis del tránsito proyectado a un periodo de diseño de 20 años con conversión del tránsito a ejes equivalentes, un estudio de geotécnico el cual se hace por medio de una caracterización de los apiques que permiten determinar las condiciones de las subrasante, incluyendo ensayos de consistencia, granulometría, CBR. 10

11 2. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVO GENERAL Diseñar una estructura de pavimento rígido y flexible para 17 Km de la vía que conduce de Santander de Quilichao Te de Villa Rica OBJETIVOS ESPECIFICOS Determinar las condiciones geotécnicas del terreno por medio de ensayos y análisis del suelo. Por medio de apiques caracterizar la subrasante y las capas del terreno. Determinar el tipo transito, volumen y las cargas a las que el pavimento será sometido durante el periodo de diseño. Determinar los espesores de las capas del pavimento, por medio de los diferentes métodos de la AASHTO, método racional, Marshall Shell y PCA Determinar los materiales del diseño de pavimentos. 11

12 3. JUSTIFICACIÓN El proyecto de diseño de la vía Santander de Quilichao Te de Villa Rica, se realizara con el fin de mejorar las condiciones de comunicación intermunicipal en el departamento del Cauca, e interdepartamental con el departamento del Valle del Cauca, debido a que es una ruta de gran importancia para el desarrollo económico del departamento. Una evaluación funcional realizada al pavimento existente en el tramo de vía, hace notoria la necesidad de realizar una evaluación estructural del mismo. De la evaluación estructural se determinó, que la estructura existente presenta elevados índices de deterioro y no posee vida residual; por lo que se recomienda la reconstrucción total, y la realización de un nuevo diseño de pavimento, que proporcione seguridad y comodidad a los habitantes de la zona. 12

13 4. ALCANCE El proyecto comprende el diseño de la estructura de pavimento para El proyecto comprende el diseño de la estructura de pavimento para 17 Km de la vía que conduce de Santander de Quilichao Te de Villa Rica. El diseño consiste en un pavimento flexible por los métodos de la AASHTO y racional, y un pavimento rígido por el método PCA (Portland Cement Association). Los lineamientos que se consideran para el diseño corresponden a los consignados en los manuales de diseño de pavimentos del Instituto Nacional de Vías (INVIAS), para la realización de los estudios de suelos, tránsito y la caracterización de la subrasante. Para el diseño de la nueva estructura de pavimento no se modifica el diseño geométrico de la vía, ni las características del tránsito de la misma. 13

14 5. METODOLOGÍA 5.1. MÉTODO AASHTO PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES El método AASHTO-1993 para el diseño de pavimentos flexibles, se basa primordialmente en identificar un número estructural (SN) para el pavimento, que pueda soportar el nivel de carga solicitado. Para determinar el número estructural, el método se apoya en una ecuación que relaciona los coeficientes, con sus respectivos números estructurales, los cuales se calculan con ayuda de un software, (AASHTO 93) el cual requiere unos datos de entrada como son el número de ejes equivalentes, el rango de serviciabilidad, la confiabilidad y el modulo Resiliente de la capa a analizar; esta ecuación se relaciona a continuación: Donde: 5.2. MÉTODO RACIONAL PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE El método racional consiste en asumir unos espesores para cada una de las capas de la estructura del pavimento. A partir del módulo resiliente y los espesores asumidos, se caracterizan dichas capas. El módulo resiliente se obtiene mediante la siguiente relación: Donde: El método racional, al igual que el método de la AASHTO, se apoyan en modelos computacionales, para determinar las deformaciones de la estructura del pavimento ante las cargas de diseño. Para el método racional se usará el DEPAV y se compararán los resultados obtenidos, con las leyes de fatiga. 14

15 5.3. MÉTODO DE LA PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (PCA) El propósito de este método al igual que el de los anteriores es determinar los espesores mínimos de pavimento que permiten optimizar costos en una obra. Este método consiste en una hoja de cálculo que reúne una serie de datos para el análisis de la estructura por fatiga y por erosión. El análisis de fatiga se basa en el cálculo de esfuerzos por caga en el borde de las losas y el análisis de erosión se basa en que la deflexión mas critica ocurre en la esquina de la losa. 15

16 6. MARCO TEÓRICO 6.1. ESTUDIOS GEOTECNICOS Al evaluar un pavimento existente la exploración del suelo y los ensayos de laboratorio realizados a los distintos materiales utilizados en las capas del pavimento juegan un papel muy importante, debido a que éstos proporcionan información de gran valor a la hora de tomar decisiones con respecto al estado en que se encuentran los materiales de la estructura de pavimento. Para la obtención de la información geotécnica básica de las propiedades del suelo, deben efectuarse ensayos de campo y laboratorio que determinen su distribución y propiedades físicas. Una investigación de suelos debe comprender: Determinación del perfil del suelo: La cual consiste en ejecutar perforaciones en el terreno, con el objeto de determinar la cantidad y extensión de los diferentes tipos del suelo, la forma como estos están dispuestos en capas y la determinación de aguas freáticas. Lógicamente, la ubicación, profundidad y número de perforaciones deben ser tales que permitan determinar toda variación importante de la calidad de los suelos. Toma de muestras de las diferentes capas de suelos: En cada perforación deberá tomarse muestras representativas de las diferentes capas encontradas. Las muestras pueden ser de dos tipos: Alteradas e inalteradas. En vías se recomienda hacer sondeos con espaciamientos entre 350 y 600 m, teniendo en cuenta las semejanzas del material a partir de uno de los cortes presentes. En general, las muestras obtenidas sirven para determinar las propiedades y clasificación del material extraído valiéndose de los siguientes ensayos: Humedad natural Granulometría Limites de consistencia. Humedad Natural CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA Tamaño de las partículas de suelos Los tamaños de las partículas que conforman un suelo, varían en un amplio rango. Los suelos, en general, son llamados grava, arena, limo o arcillas, dependiendo del tamaño predominante de las partículas. La tabla 1 muestra los límites de tamaño de suelo 16

17 separado desarrollados por el Instituto tecnológico de Massachusetts y la Asociación de Funcionarios del Transporte y Carreteras Estatales (AASHTO). Tabla 1. Límites de tamaño de suelos separados Nombre de la organización Tamaño del grano (mm) Grava Arena Limo Arcilla Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) >2 2 a a <0.002 Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA) >2 2 a a <0.002 Asociación Americana de Funcionarios del Transporte y 76.2 a 2 2 a a <0.002 Carreteras Estatales (AASHTO) Sistema unificado de clasificación de suelos (U.S. Army Corps of 4.75 a Finos (limos y arcillas) Engineers; U.S. Bureau of 76.2 a <0.075 Reclamation; American Society for Testing and Materials) Curva de distribución granulométrica Los resultados del análisis mecánico se presentan generalmente en graficas semilogaritmicas como curvas de distribución granulométrica. Los diámetros de las partículas se grafican en escala logarítmica y el porcentaje correspondiente de finos en escala aritmética. Figura 1. Curvas de distribución del tamaño de partículas (curvas granulométricas) 17

18 Consistencia del suelo Albert Mauritz Atterberg desarrollo un método para describir la consistencia de los suelos de grano fino con contenidos de agua variables a muy bajo contenido de agua, el suelo se comporta mas como un sólido frágil. Cuando el contenido de agua es muy alto, el suelo y el agua fluyen como un líquido. Por tanto, dependiendo del contenido de agua, la naturaleza del comportamiento del suelo se clasifica arbitrariamente en cuatro estados básicos, denominados sólidos, semisólido, plásticos y liquido. Limite liquido (LL): Se define como el contenido de agua de un suelo fino, para el cual su resistencia al corte es aproximadamente de 25 g/cm 2 Limite platico (PL): Se define como el contenido de agua, en porcentaje, con el cual el suelo, al ser enrollado en rollitos de 3.2 mm de diámetro, se desmorona. Es el límite inferior de la etapa plástica del suelo. Limite de contracción (SL): La masa de suelo se contrae conforme se pierde gradualmente el agua del suelo. Con una pérdida continua de agua, se alcanza una etapa de equilibrio en la que más pérdida de agua conducirá a que no haya cambio de volumen Clasificación del suelo Los suelos con propiedades similares se clasifican en grupos y subgrupos basados en su comportamiento ingenieril. Los sistemas de clasificación proporcionan un lenguaje común para expresar en forma concisa las características generales de los suelos, que son infinitamente variadas sin una descripción detallada. Actualmente, dos sistemas de clasificación que usan la distribución por tamaño de grano y plasticidad de los suelos son usados comúnmente por los ingenieros de suelos. Estos son el sistema de clasificación AASHTO y el sistema unificado de clasificación de suelos. Los ingenieros geotécnicos usualmente prefieren el sistema unificado. Sistema unificado de clasificación de suelos La forma original de este sistema fue propuesto por Casagrande en 1942 para usar en la construcción de aeropuertos emprendida por el cuerpo de ingenieros del ejército durante la según guerra mundial. El sistema unificado de clasificación se presenta en las siguientes tablas; clasifica los suelos en dos amplias categorías: 18

19 1. Suelos de grano grueso, tipo grava o arenosos con menos del 50% pasando por la malla No Los símbolos de grupo comienzan con un prefijo G o S.G significa grava o suelo gravoso y S significa arena o suelo arenoso. 2. Suelos de grano fino, con el 50% o más pasando por la malla No Los símbolos de grupos comienzan con un prefijo M, que significa limo inorgánico, C para arcilla inorgánica u O para limos y arcillas orgánicos. El símbolo Pt se usa para turbas, lodos y otros suelos altamente orgánicos. Otros símbolos son también usados para la clasificación: W: bien graduado P: mal gradado L: baja plasticidad (limite liquido menor que 50) H: alta plasticidad (limite liquido mayor que 50) Tabla 2. Sistema unificado de Clasificación; símbolos de grupo para suelos arenosos 19

20 Tabla 3. Sistema unificado de Clasificación, símbolos de grupo para suelos limosos y arcillosos Para la clasificación apropiada con este sistema, debe conocerse algo o todo de la información siguiente: 1. Porcentaje de grava, es decir, la fracción que pasa la malla de 76.2 mm y es retenido en la malla No. 4 (abertura de 4.75mm) 2. Porcentaje de arena, es decir, la fracción que pasa la malla No. 4 (abertura de 4.75mm) y es retenido en la malla, No. 200 (abertura de 0.075mm) 3. Porcentaje de limo y arcilla, es decir, la fracción de finos que pasan la malla No. 200 (abertura de mm) 4. Coeficiente de uniformidad (C u ) y coeficiente de curvatura (C z ) 5. Limite líquido e índice de plasticidad de la porción de suelo que pasa la malla No. 40. Los símbolos de grupo para suelos tipo grava de grano grueso son GW, GP, GM, GC, GC-GM, GW-GM, GW-GC, GP-GM, y GP-GC. Similarmente, los símbolos de grupos para suelos de grano fino son CL, ML, OL, CH, MH, OH, CL-ML y Pt. 20

21 Figura 2. Carta de plasticidad 6.2. PAVIMENTOS Un pavimento está constituido por un conjunto de capas superpuestas, relativamente horizontales, que se diseñan y constituyen técnicamente con materiales apropiados y adecuadamente compactados. Estas estructuras estratificadas se apoyan sobre la subrasante de una vía obtenida por el movimiento de tierras en el proceso de exploración y que han de resistir adecuadamente los esfuerzos que las cargas repetidas del tránsito le transmiten durante el periodo para el cual fue diseñada la estructura del pavimento. Un pavimento debe cumplir adecuadamente sus funciones deben reunir los siguientes parámetros: Ser resistente a la acción de las cargas impuestas por el transito Ser resistente ante los agentes de intemperismo Presentar una textura superficial adaptada a las velocidades previstas de circulación de los vehículos, por cuanto ella tiene una decisiva influencia en la seguridad vial. Además debe ser resistente al desgaste producido por el efecto abrasivo de las llantas de los vehículos. 21

22 Debe presentar una regularidad superficial, tanto transversal como longitudinal, que permitan una adecuada comodidad a los usuarios en función de las longitudes de onda de las deformaciones y de la velocidad de circulación. Debe ser durable Debe ser económico El ruido de rodadura, en el interior de los vehículos que afectan al usuario, así como en el exterior, que influyen en el entorno, deber ser adecuadamente moderado. Deber poseer el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramiento y ofrecer una adecuada seguridad al tránsito CLASIFICACIÓN DE LOS PAVIMENTOS En nuestro medio los pavimentos se clasifican en: pavimentos flexibles, semirrígido, rígidos y articulados. Pavimentos flexibles: Este tipo de pavimentos están formados por una carpeta bituminosa apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, la base y la subbase. No obstante puede prescindirse de cualquiera de estas dependencias de las necesidades particulares de cada obra. Figura 3. Estructura típica de un pavimento asfáltico (flexible) Pavimento semirrígido: Aunque este tipo de pavimentos guarda básicamente la misma estructura de un pavimento flexible, una de sus capas se encuentra rigidizada artificialmente con un aditivo que puede ser: asfalto, emulsión, cemento, cal y químicos. El empleo de estos aditivos tiene la finalidad básica de corregir o modificar las propiedades mecánicas de los materiales locales que no son aptos para la construcción de las capas del pavimento, teniendo en cuenta que los adecuados se encuentran a distancias tales que encarecerían notablemente los costos de construcción. 22

23 Pavimento rígido: son aquellos que fundamentalmente están constituidos por una losa de concreto hidráulico, apoyada sobre la subrasante o sobre una capa, de material seleccionado, la cual se denomina subbase del pavimento rígido. Debido a la alta rigidez del concreto hidráulico así como de su elevado coeficiente de elasticidad, la distribución de los esfuerzos se produce en una zona muy amplia. Además como el concreto es capaz de resistir, en ciertos grados, esfuerzos a la tensión, el comportamiento de un pavimento rígido es suficientemente satisfactorio aun cuando existan zonas débiles en la subrasante. La capacidad estructural de un pavimento rígido depende de la resistencia de las losas y por lo tanto, el apoyo de las capas subyacentes ejerce poca influencia en el diseño del espesor del pavimento. Figura 4. Estructura típica de un pavimento rígido Pavimento articulado: los pavimentos articulados están compuestos por una capa de rodadura que está elaborada con bloques de concreto prefabricado, llamados adoquines, de espesor uniforme e iguales entre sí. Esta puede ir sobre una capa delgada de arena la cual, a su vez, se apoya sobre la capa de base granular o directamente sobre la subrasante, dependiendo de la calidad de esta y de la magnitud y frecuencia de las cargas por dicho pavimento. Figura 5. Estructura típica de un pavimento articulado 23

24 Funciones de las capas de un pavimento flexible: Subbase granular Capa de transición: la subbase bien diseñada impide la penetración de los materiales que constituyen la base con los de la subrasante y por otra parte, actúa como filtro de la base impidiendo que los finos de la subrasante la contaminen menoscabando su calidad. Disminución de la deformación: algunos cambios volumétricos de la capa subrasante, generalmente asociados a cambios en su contenido de agua (expansiones), o a cambios externos de temperatura, pueden absorberse con la capa subbase, impidiendo que dichas deformaciones se reflejen en la superficie de rodamiento. Resistencia: la subbase debe soportar los esfuerzos transmitidos por las cargas de los vehículos a través de las capas superiores y transmitidas a un nivel adecuado de la subrasante. Base granular Resistencia: la función fundamental de la base granular de un pavimento consiste en proporcionar un elemento resistente que transmita a la subbase y a la subrasante los esfuerzos producidos por el transito en una intensidad apropiada. Carpeta Asfáltica 24

25 Superficie de rodadura: la carpeta debe proporcionar una superficie uniforme y estable al tránsito, de textura y color conveniente y resistir los efectos abrasivos del tránsito. Resistencia: su resistencia a la tensión complementa la capacidad estructural del pavimento. Impermeabilidad: hasta donde sea posible, debe impedir el paso del agua al interior del pavimento. Funciones de las capas de un pavimento rígido. Subbase La función más importante es impedir la acción del bombeo en las juntas, grietas y extremos del pavimento. Se entiende por bombeo a la fluencia de materiales fino con agua fuera de la estructura del pavimento, debido a la infiltración de agua por las juntas de las losas. El agua que penetra a través de las juntas licua el suelo fino de la subrasante facilitando así su evacuación a la superficie bajo la presión ejercida por las cargas circulantes a través de las losas. Servir como capa de transición y suministrar un apoyo uniforme, estable y permanente del pavimento. Facilitar los trabajos de pavimento Mejorar el drenaje y reducción por tanto al mínimo la acumulación de agua bajo el pavimento. Ayudar a controlar los cambios volumétricos de la subrasante y disminuir al mínimo la acción superficial de tales cambios volumétricos sobre el pavimento. Losa de concreto Las funciones de la losa en el pavimento rígido son las mismas de la carpeta en el flexible, mas la función estructural de soportar y transmitir en nivel adecuado los esfuerzos que le apliquen. Funciones de las capas de un pavimento articulado. Base Es la capa colocada entre la subrasante y la capa de rodadura. Esta capa le da mayor espesor y capacidad estructural al pavimento. Puede estar compuesta por dos o más capas de material seleccionado. Capa de arena: es una capa de poco espesor, de arena gruesa y limpia que se coloca directamente sobre la base; sirve de asiento a los adoquines y como filtro para el agua que eventualmente pueda penetrar por las juntas entre estos. 25

26 Sellos de arena: está constituido por aren fina que se coloca como llenante de las juntas entre los adoquines; sirve como sello de las mismas y contribuyen al funcionamiento, como un todo, de los elementos de la capa de rodadura. Factores a considerar en el diseño de pavimentos El transito: interesa para el dimensionamiento de los pavimentos las cargas más pesadas por ejes esperados en el carril de diseño solicitado, que determinara la estructura del pavimento de la carretera durante el periodo de diseño adoptado. La repetición de las cargas del tránsito y la consecuente acumulación de deformaciones sobre el pavimento son fundamentales para el cálculo. A demás, se deben tener en cuenta las máximas presiones de contacto, las solicitaciones tangenciales en tramos especiales, las velocidades de operación de los vehículos y la canalización del tránsito etc. La subrasante: de la calidad de esta capa depende en gran parte el espesor que deber tener un pavimento, sea este flexible o rígido. Como parámetro de evaluación de esta capa se emplea la capacidad de soporte o resistencia a la deformación por esfuerzo cortante bajo las cargas de transito. Es necesario tener en cuenta la sensibilidad del suelo a la humedad, tanto en lo que se refiere a la resistencia como a las eventuales variaciones de volumen de un suelo de subrasante de tipo expansivo pueden ocasionar graves daños en las estructuras que se apoyen sobre este, por esta razón cuando se construya un pavimento sobre este tipo de suelos deberá tomarse la precaución de impedir las variaciones de humedad del suelo para lo cual habrá que pensar en la impermeabilización de la estructura. Otra forma de enfrentar este tipo de suelo con algún aditivo, en nuestro medios los mejores resultados se han logrado mediante la estabilización de suelos con cal. El clima: los factores que en nuestro medio más afectan a un pavimento son las lluvias y los cambios de temperatura. Las lluvias por su acción directa en la elevación del nivel freático influyen en la resistencia, la compresibilidad y los cambios volumétricos de los suelos de subrasante especialmente. Este parámetro también influye en algunas actividades de construcción de capas granulares y asfálticas. Los cambios de temperatura en las losas de pavimentos rígidos ocasionan en éstas esfuerzos muy elevados, que en algunos casos pueden ser superiores a los generados por las cargas de los vehículos que circulan sobre ellas DISEÑO MARSHALL 26

27 El concepto del método Marshall para diseño de mezclas de pavimentación fue formulado por Bruce Marshall, ingeniero de asfaltos del Departamento de Autopistas del estado de Mississippi. El cuerpo de ingenieros de Estados Unidos, a través de una extensiva investigación y estudios de correlación, mejoró y adicionó ciertos aspectos al procedimiento de prueba Marshall y desarrollo un criterio de diseño de mezclas. El método original de Marshall, sólo es aplicable a mezclas asfálticas en caliente para pavimentación que contengan agregados con un tamaño máximo de 25 mm (1 ) o menor. El método modificado se desarrolló para tamaños máximo arriba de 38 mm (1.5 ). Está pensado para diseño en laboratorio y control de campo de mezclas asfálticas en caliente con graduación densa. Debido a que la prueba de estabilidad es de naturaleza empírica, la importancia de los resultados en términos de estimar el comportamiento en campo se pierde cuando se realizan modificaciones a los procedimientos estándar. El método Marshall utiliza especímenes de prueba estándar de una altura de 64 mm (2 ½ ) y 102 mm (4 ) de diámetro. Se preparan mediante un procedimiento específico para calentar, mezclar y compactar mezclas de asfalto-agregado. (ASTM D1559). Los dos aspectos principales del método de diseño son, la densidad-análisis de vacíos y la prueba de estabilidad y flujo de los especímenes compactados. La estabilidad del espécimen de prueba es la máxima resistencia en N (lb) que un espécimen estándar desarrollará a 60ºC cuando es ensayado. El valor de flujo es el movimiento total o deformación, en unidades de 0.25 mm (1/100 ) que ocurre en el espécimen entre estar sin carga y el punto máximo de carga durante la prueba de estabilidad DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS DE LA PORTLAND CEMENT ASOCIATION (PCA) El procedimiento de diseño de la PCA está basado en información obtenida de diferentes fuentes, incluyendo investigaciones, desarrollos teóricos, ensayos de pavimentos a escala real, y el monitoreo de la performance de pavimentos en servicio. Un programa de investigación llevado a cabo por la Portland Cement Association correlacionó la información de diseño de estas fuentes obteniendo como resultado un procedimiento desarrollado únicamente para pavimentos suelo cemento. Bases para el Procedimiento de Diseño de Espesores Desde 1935 más de 140,000 km de pavimentos suelo-cemento han sido construidos en Norteamérica. La performance demostrada por estos pavimentos a través de los años provee una valiosa información para el diseño, para los niveles de espesor que fueron utilizados. La mayoría de estos pavimentos en servicio son de 15 cm de espesor. Este espesor ha probado ser satisfactorio para las condiciones de servicio de caminos 27

28 secundarios, calles residenciales y pistas de aterrizaje de tráfico ligero. Algunos pavimentos de 10 cm y 12.5 cm han sido construidos y han dado un buen servicio bajo condiciones favorables de tráfico ligero y fuerte resistencia del suelo. Muchos kilómetros de pavimentos de 17.5 cm y 20 cm de espesor están en servicio en caminos principales y vías secundarias de alto tráfico. Pavimentos con suelo cemento con espesores de 22.5 cm o mas no son numerosos, aunque algunos proyectos de aeropuertos han sido construidos con espesores de hasta 40 cm. En carreteras interestatales en algunas áreas de tráfico comparativamente más bajos, un amplio rango de espesores de suelo cemento, de 10 a 30 cm, han sido incorporados en la estructura total de los pavimentos. Se ha obtenido también información valiosa de diseño de ensayos de caminos a escala real y de investigaciones de laboratorio conducidas por universidades, departamentos de carreteras, y por la Portland Cement Association. Propiedades Estructurales Básicas Las propiedades estructurales del suelo-cemento dependen del tipo de suelo, condiciones de curado, y edad. Los rangos típicos para una amplia variedad de tipos de suelocemento, a sus respectivos contenidos de cemento requeridos para durabilidad, son: Tabla 4. Propiedades estructurales Básicas PROPIEDAD VALORES A 28 DÍAS Resistencia a la compresión, saturada Módulo de ruptura Módulo de elasticidad (módulo estático a la flexión) psi psi 600, ,000 psi Relación de Poisson ^1 Radio de curvatura crítico^2, en viga de 6 x 6 x 30 pulg 4,000 7,500 pulg TRANSITO CÁLCULO DEL TRÁNSITO DE ACUERDO AL MANUAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PARA VÍAS CON BAJOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO (INVIAS) 28

29 Para el dimensionamiento de los pavimentos interesan las cargas por eje esperadas en el carril de diseño, estas me determinarán la estructura del pavimento para el periodo de diseño adoptado. Es por esto que, probablemente, la variable mas importante en el diseño de un pavimento de una vía es el transito; éste se define como la determinación del número, tipo y peso de vehículos que transitan por determinada ella. Es necesario cuantificar la variable transito existente ya que ésta genera cargas y deformaciones sobre el pavimento. El Instituto Nacional de Vías INVIAS ha designado la siguiente terminología para los vehículos que circulan en el país: A: Vehículos livianos (automóviles) B: Buses C: Camiones Además se ha clasificado el tipo de vehículos de acuerdo con el número y disposición de los ejes, como se muestra en la figura 6 Figura 6. Esquema de clasificación de vehículos 29

30 FUENTE: Manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito, INVIAS Niveles de tránsito El Instituto Nacional de Vías (INVIAS) en su manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito clasifica el tránsito de diseño en dos niveles, en función del número de ejes equivalentes de 8.2 ton previstos durante el periodo de diseño en el carril. En la tabla 4 se indican las categorías adoptadas. 30

31 Tabla 5. Niveles de tránsito FUENTE: Manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito, INVIAS Componentes de tránsito Para cuantificar adecuadamente los volúmenes de transito, se divide en: Transito normal: Tránsito que circularía por la red si no se realizara el proyecto Tránsito atraído: Tránsito que utilizará el proyecto, por las ventajas o beneficios que ofrece. Tránsito generado: Se origina por el proyecto debido a mejores condiciones de oferta (tránsito nuevo por efecto del desarrollo del área de influencia) Determinación del nivel de confianza en la proyección del tránsito El proyectista deberá considerar en el cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton para el diseño, el nivel de confiabilidad que considere pertinente. En el caso en que existe serie histórica del tránsito, el modelo estadístico que se adopte, a través de los errores estándar del modelo y de predicción para cada uno de los años del periodo de diseño, considerara la confiabilidad indicada por el proyectista Conversión de vehículos a ejes equivalentes de 8.2 ton. Factores de daño por tipo de vehículo Los factores de daño se indican en la tabla 5, y serán los que se deberán aplicar para calcular los ejes equivalentes de 8.2 ton. Tabla 6. Factor daño por tipo de vehículo 31

32 FUENTE: Manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito, INVIAS Tránsito en el carril de diseño en función del ancho de la calzada. Factor direccional (Fd) En la tabla 6 Se indica el factor direccional (Fd) por adoptar para el diseño según el ancho de la calzada. Tabla 7. Tránsito por adoptar para el diseño según el ancho de la calzada Factor Direccional (Fd) FUENTE: Manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito, INVIAS Tránsito acumulado en ejes equivalentes de 8.2 ton, en el carril de diseño durante el periodo de diseño Pronostico de la componente de tránsito normal Cuando existe serie histórica de tránsito: Cuando en el tramo de vía analizado se encuentra una estación de conteo de tránsito, con información continua de por lo menos 5 años. El procedimiento para la determinación del tránsito normal se describe a continuación: 1. Identificación de la serie histórica del tránsito en la estación de conteo seleccionada 2. Conversión de la serie histórica del tránsito a ejes equivalentes de 8.2 ton Donde: 32

33 3. Análisis estadístico de la serie histórica: se establecen los modelos de crecimiento factibles para las condiciones del estudio. 4. Selección del modelo factible de crecimiento de tránsito: se acepta o rechaza un modelo sobre la base de los resultados de los coeficientes estadísticos, del análisis de las variables independientes adoptadas y de consideraciones acerca de las particularidades del proyecto. 5. Estimación del tránsito proyectado para el periodo de diseño, en el carril de diseño y considerando un nivel de confianza predeterminado. a. Cálculo del error estándar (σ) del modelo de crecimiento del tránsito seleccionado. Donde: b. Cálculo del error estándar en la predicción del tránsito, error de pronóstico ( año por año en el periodo de diseño ( Donde: ( 33

34 c. Cálculo de los valores de corrección para el tránsito equivalente proyectado en cada uno de los años del periodo de diseño, con base en el nivel de confianza deseado. En la tabla 7 se muestran los valores de Zr para diferentes niveles de confianza Tabla 8. Valores del parámetro Zr (suponiendo una distribución normal) FUENTE: Manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito, INVIAS d. Cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton diarios, corregidos por confiabilidad, en cada uno de los años del periodo de diseño Donde: e. Cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton acumulados durante el periodo de diseño. 34

35 f. Cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton acumulados en el carril de diseño durante el periodo de diseño, por concepto de la componente normal del tránsito Pronóstico de la componente de tránsito atraído Para iniciar la discusión de este tipo de análisis, se debe estar seguro que el proyecto vial si ocasionará cambios en el comportamiento de los usuarios. Entre los métodos para estimar el tránsito atraído, se cuentan los siguientes: a. Estudio de origen y destino: Aplicación de un estudio de origen y destino que permita establecer los flujos entre pares origen-destino, flujos básicos, que en forma potencial, podrían utilizar el proyecto en el futuro. b. Estudio de utilización del proyecto por usuarios potenciales: Se lleva a cabo a través de una encuesta a usuarios potenciales, en las que se indaga si harían uso o no del nuevo proyecto Pronóstico de la componente de tránsito generado Crecimiento que se presenta por el incremento que se presenta por el incremento que en la producción agrícola, pecuaria, minera, industrial, comercial o turística que se genera en una zona por la construcción de una nueva carretera o el mejoramiento y/o pavimentación de una vía existente. Cuando no se dispone de información detallada, se puede hacer uso de los factores relacionados en la tabla 8, obtenidos del seguimiento a proyectos de pavimentación en vías de bajo transito en el país. Tabla 9. Porcentaje de tránsito generado como función del tránsito normal 35

36 FUENTE: Manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito, INVIAS CÁLCULO DEL TRÁNSITO DE ACUERDO AL MANUAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS DE CONCRETO PARA VÍAS CON BAJOS, MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO (INVIAS) La determinación de la variable tránsito se puede hacer con diferentes grados de aproximación. Las más precisas parten del análisis de registros históricos de conteos y pesajes sobre la vía que se va a pavimentar. Los conteos permiten que se haga una proyección con la idea de que el tránsito pasado permite predecir el que pasará. Por su parte los menos precisos se hacen teniendo en cuenta el ancho y el tipo de la vía que se tiene, o con base en algunas consideraciones acerca del servicio que va a prestar la vía. La clasificación vehicular se acoge a los lineamientos regulativos de la regulación 4100 de 2004, expedida por el Ministerio de Transporte. Los vehículos se clasifican así: A: Automóviles, camperos, camionetas y microbuses B: Busetas y buses C: Vehículos de carga Los vehículos de carga se designan de acuerdo a la configuración de sus ejes de la siguiente manera: Con el primer dígito se designa el número de ejes del camión o del tracto camión La letra S significa semirremolque y el dígito inmediato indica el número de sus ejes La letra R significa remolque y el dígito inmediato indica el número de sus ejes La letra B significa el remolque balanceado y el dígito inmediato indica el número de sus ejes Figura 7. Representación esquemática de los vehículos de transporte de carga más comunes en el país 36

37 FUENTE: Resolución 4100 de 2004 En la tabla 9 se registra la carga máxima admisible para los vehículos más comunes en el país de acuerdo con la resolución 4100 de 2004, en la figura 8 se indica la carga máxima para los ejes más frecuentes Tabla 9. Máximo peso por eje para los vehículos de transporte de carga FUENTE: Resolución 4100 de 2004 Figura 8. Esquematización de los diferentes tipos de ejes y su carga máxima 37

38 FUENTE: Resolución 4100 de 2004 NOTA: Por ley, los vehículos deben cumplir simultáneamente con las condiciones de máxima carga vehicular y máximo peso por eje. Los métodos de diseño de pavimentos recurren a establecer un eje patrón, debido a la gran cantidad de cargas que pueden circular por una vía. El caso más representativo (eje patrón) es una carga de 8.2 ton para el eje sencillo de llanta doble. La relación que existe en el daño proporcionado al pavimento por el peso ejercido por una carga cualquiera y el eje patrón, se determina a partir del factor de equivalencia. Donde: 38

39 Tabla 10. Carga máxima admisible por vehículo FUENTE: Resolución 4100 de 2004 En la tabla 11 Se encuentran los valores de las cargas patrón y exponenciales para el cálculo del factor de equivalencia, dependiendo del tipo de eje, para un índice de servicio final de 2.5, aplicable para los pavimentos de concreto. Tabla 11. Cargas patrón y exponenciales para el cálculo del Factor de equivalencia FUENTE: Manual de diseño de pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de tránsito Factor camión (Fc) El factor camión se puede entender como el número de aplicaciones de ejes sencillos cargados con 8.2 toneladas que es necesario que circulen por un pavimento para hacer el mismo daño que un camión con una carga cualquiera. El factor camión equivale a la sumatoria de los factores de equivalencia calculados para cada eje Cuantificación del tránsito en una vía Tránsito promedio diario (TPD) 39

40 El TPD se hace contando, durante un lapso establecido, todos los vehículos que pasan por una sección de la vía (todos los carriles y ambas direcciones), luego se saca un promedio diario que se conoce con el nombre de TPD. La información del TPD se refina estableciendo el porcentaje de vehículos clase A, B ó C Periodo de diseño y vida útil Por las características funcionales de los pavimentos de concreto, se recomienda que el periodo de diseño sea igual o superior a 20 años. La vida útil es el número de años en que el pavimento está en condiciones de permitir la circulación de los vehículos en unas condiciones buenas de operación Clasificación de las vías CRITERIO DE CLASIFICACIÓN Según entidad territorial de que depende la vía Tabla 12. Clasificación de las vías Vías nacionales primarias (Vp) Se pueden considerar como las carreteras más importantes y hacen parte de la red primaria de vías CLASIFICACIÓN Vías departamentales secundarias (Vs) Hacen parte de la red secundaria. Unen municipios de uno o más departamentos Carreteras municipales terciarias (Vt) Pueden unir dos o mas municipios isn llegar a ser departamentales Autopistas (AP) Carreteras multi carriles (MC) Carreteras de dos direcciones (CC) Por sus características Vías en las que no se interrumpe el tránsito. Los vehículos pueden circular en una dirección determinada, separados, Vías divididas, con dos o más carriles por sentido, con control parcial o total de acceso y salida Vías de dos carriles, uno por cada sentido de circulación, con intersecciones a nivel y accesos directos 40

41 Según el ancho de la vía por algún tipo de elemento desde sus márgenes. físico de los vehículos que viajan en otra dirección, en dos o más carriles Estrechas (E) Medias (M) Anchas (A) Ancho inferior a los 5m Ancho que va de 5m a 6m Pueden tener más de dos carriles y cada uno de ellos tienen más de 3.5m de ancho Asignación del tránsito según las características y el ancho de la vía En las carreteras de dos direcciones, la asignación del tránsito para el carril de diseño dependerá del ancho de la vía así: Para vías estrechas: la totalidad del tránsito Para vías de ancho medio: 75% Para vías anchas: 50% En la figura se tiene un gráfico con el que se puede definir el porcentaje de vehículos que circulan en el carril de diseño en función del tránsito promedio diario anual, sin tener en cuenta los vehículos que tienen menos de 6 llantas Porcentaje de vehículos para el carril de diseño Los factores de distribución vehicular por carril se establecen en la tabla 13 Tabla 13. Porcentaje de vehículos para el carril de diseño 41

42 Figura 9. Porcentaje de camiones en el carril de diseño 6.6. ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR) La finalidad de este ensayo, es determinar la capacidad de soporte de suelos y agregados compactados en laboratorio, con una humedad óptima y niveles de compactación variables. El ensayo mide la Resistencia al cortante (punzonamiento) de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas, permitiendo obtener un % de relación de soporte. El ensayo más utilizado es el CBR, el cual representa la relación, en porcentaje, entre el esfuerzo requerido para penetrar un pistón a cierta profundidad dentro del suelo ensayado y el esfuerzo requerido para penetrar un pistón igual, a la misma profundidad, dentro de una muestra patrón de piedra triturada. La muestra patrón fue elegida y ensayada por O.J. Poter, en California, en 1929, presentando los siguientes esfuerzos para diferentes profundidades de penetración del pistón: Tabla 14. Valores de esfuerzo en la muestra patrón 42

43 Para cada muestra preparada se debe dibujar una grafica relacionando esfuerzo vs penetración del pistón y se calcula el valor de CBR para penetración de 0.1 (2.5mm) y 0.2 (5mm) con las siguientes expresiones Los valores de índice de CBR oscilan entre 0 y 100. Cuando mayor es su valor, mejor es la capacidad portante del suelo. Valores por debajo de 6, deben descartarse Tabla 15. Clasificación y usos del suelo de acuerdo a los valores de CBR CBR Clasificación cualitativa del suelo Uso 2-5 Muy mala Sub-rasante 5-8 Mala Sub-rasante 8-20 Regular-buena Sub-rasante Excelente Sub-rasante Buena Sub-base Buena Base Excelente Base 6.7. MODULO RESILIENTE El modulo resiliente se define, como aquel que relaciona las tensiones aplicadas y las deformaciones recuperables (AASHTO, 1993). Se introdujo el termino modulo resiliente como la relación que existe entre la magnitud del esfuerzo desviador cíclico en comprensión triaxial y la deformación axial recuperable (Rondon & Reyes 2007). Matemáticamente la ecuación del modulo resiliente está dada por: Donde: 43

44 Sobre las capas del pavimento se producen deformaciones permanentes y recuperables o resilientes. Después de un cierto número de ciclos de carga, el material tiende a poseer casi en su totalidad deformaciones resilientes. En la teoría elástica tradicional el modulo de elasticidad (E) y la relación de possion define las propiedades elásticas de un material. Para describir el comportamiento recuperable de un material sujeto a cargas cíclicas cargado en un aparato triaxial se utiliza. El modulo resiliente es no lineal y dependiente del esfuerzo Factores que afectan el modulo resiliente Como se ha observado en los estudios llevados a cabo sobre modulo resiliente, este parámetro no es una propiedad constante del pavimento, sino que depende de muchos factores. Factores que afectan el modulo resiliente en pavimentos asfalticos Existen diversos factores que afectan al modulo resiliente del pavimento asfaltico. A continuación se muestra un resumen de estos factores: Nivel de esfuerzos Frecuencia de carga Contenido de betún Tipo de agregado Contenido de vacios Tipo y contenido de modificadores Tipo de prueba Temperatura 6.8. MODULO DE REACCIÓN DE LA SUBRASANTE Ensayo de placa Modulo de reacción de subrasante, se define como: Donde 44

45 Los ensayos de placa de carga permiten determinar las características resistencia - deformación de un terreno. Consisten en colocar una placa sobre el suelo natural, aplicar una serie de cargas y medir las deformaciones. El resultado del ensayo se representa en un diagrama tensión deformación. A partir de este ensayo se pueden obtener numerosos datos entre los que se destacan: Obtención de la capacidad de carga del suelo para un asentamiento determinado Determinación del modulo de reacción o coeficiente de balasto (K) Determinación de las características de la curva carga contra deformación del suelo Realización de estudios sobre la estabilidad de pavimentos o bases de caminos ya existentes. La información proporcionada es posible usarla en la evaluación y diseño de pavimentos de tipo rígido o flexible de carreteras y aeropuertos y aplicarse tanto a suelos en estado natural como compactados MODULO DINÁMICO WITCZAK Se determina con la ecuación predictiva de Witczak, la cual se basa en la frecuencia de aplicación de la carga, la composición volumétrica de la mezcla compactada, la viscosidad del ligante y la granulometría de los agregados Donde: La ecuación de Witczak también puede ser expresada en la forma de una curva maestra, como: 45

46 Conocida la viscosidad del ligante en cualquier instante ( ), el sistema determina el modulo dinámico de la mezcla para cualquier tiempo de aplicación de carga, tanto en la ecuación de la curva maestra, como en la ecuación de Witczak, utilizando un valor apropiado. Para ello, emplea una expresión obtenida en el sistema de envejecimiento Global LEYES DE FATIGA En el modelo tradicional de fatiga las fisuras se originan en la fibra inferior de la mezcla bituminosa (zona donde la tensión de tracción es mayor) y se propaga verticalmente hacia la superficie del pavimento. Daño por fatiga significa que un estado de tensión provocado por una solicitación, muy alejada del valor de rotura, llega a producir por acumulación (es decir, por repetición de la solicitación un número muy elevado de veces) el agotamiento del material, agotamiento que se manifiesta por la fisuración del mismo. Ensayos de laboratorio han verificado que la relación entre la deformación, ϵ 1, (producida por la solicitación) y la duración o vida de la fatiga del material representada por el número N de veces que soporta la solicitación antes de romperse por fatiga. ϵ y N están ligadas por la expresión: Donde N representa el número de ciclos de carga hasta la fatiga del material al nivel de deformación ϵ, que es la deformación unitaria de tracción (en micro deformaciones µ m/m) y k 1 y k 2 constantes que describen el comportamiento a fatiga del material. 46

47 Numerosos estudios se han realizado para establecer que parámetros de la mezcla intervienen de manera significativa en la determinación de los valores de k1 y k2. Se ha comprobado que están principalmente afectados por: El módulo de la Mezcla El contenido de betún La viscosidad del betún (medida por el Índice de Penetración, IP) La granulometría y la naturaleza de los áridos El contenido de aire (huecos en la mezcla) La temperatura del pavimento La acumulación de daño de fatiga D en cada punto a lo largo de la carretera debido al paso de los vehículos se estima mediante la aplicación de la ley de Miner de acumulación lineal del daño. Donde es el número de ciclos al nivel de deformación ϵ i, es el número de ciclos a rotura al nivel de deformación y es el número de niveles diferentes de deformación. Métodos de estimación de leyes de fatiga La determinación de la ley de fatiga de una mezcla bituminosa es una cuestión compleja que requiere muchos y costosos ensayos de laboratorio y calibraciones y calados posteriores del modelo in situ. Por ello se suele recurrir a los estudios genéricos realizados por laboratorios nacionales o por organizaciones con grandes recursos. Para el caso que nos ocupa se describen los dos métodos más conocidos aunque solo se aplica el método del Instituto del Asfalto para determinar las características de fatiga de la mezcla de Alto Módulo. El método desarrollado por la SHELL. La expresión simplificada que establece la SHELL para definir una ley de fatiga de una mezcla bituminosa es: Donde es el porcentaje de betún en volumen y es el módulo de la mezcla en Mega Pascales. El método anterior permite estimar el comportamiento a fatiga de cualquier tipo de Mezcla bituminosa, incluidas las Mezclas de Alto Módulo. 47

48 Mezcla convencional: Mezcla alto modulo: 7. DESARROLLO PRÁCTICO 48

49 7.1. DESCRIPCION DE LA VIA La vía Santander de Quilichao - Te de Villa Rica está ubicada dentro del perímetro rural del departamento del Valle del Cauca, forma parte de la vía que de Cali conduce al municipio de Santander de Quilichao. Las vías primarias, arterias principales son corredores viales que garantizan la integración de las principales zonas de producción y consumo del país. Las secciones transversales de éstas, permiten los desplazamientos de altos volúmenes vehiculares. Imagen 1. Ubicación vía de estudio Te de Villa Rica Santander de Quilichao La vía objeto de estudio, es una vía arteria principal está compuesta por dos (2) carriles cada uno de 4 metros (m). 49

50 7.2. ESTUDIO DE TRANSITO Imagen 2. Vía Santander de Quilichao-Te de villa Rica Te de Villa Rica Santander de Quilichao Para el diseño de pavimentos es importante tener en cuenta elementos, entre los que se cuentan como los más importantes: la capacidad de soporte del suelo, el tránsito que circulará sobre la estructura durante su periodo de diseño, las condiciones climáticas y los materiales con que será construida. El tránsito es una de las variables más determinantes y/o importantes en el diseño de una estructura de pavimento o una vía, ya que las dimensiones de los vehículos influyen en el diseño geométrico, mientras que el número de ejes y peso de estos son factores determinantes para el diseño de la estructura TRÁNSITO PAVIMENTO FLEXIBLE Estudio de volúmenes vehiculares Como parte de los resultados generados del análisis de este estudio, se debe establecer el volumen de vehículos que se movilizan y su distribución por tipo de vehículo, con lo cual es posible determinar la carga que debe soportar la estructura de pavimento durante su periodo de diseño. 50

51 El periodo de diseño de la estructura de pavimento depende tanto de la categoría de la vía, como del rango de tránsito promedio diario (TPD) inicial de la misma. A continuación, en la tabla 16 se muestran los valores de periodo de diseño recomendados por el Instituto Nacional de Vías (INVIAS) para los pavimentos asfálticos. Tabla 16. Periodo de diseño (en años) recomendado La vía Santander de Quilichao Te de Villa Rica, por ser una vía arteria principal, se considera en la categoría I de la tabla anterior, por lo tanto, el periodo de diseño del pavimento flexible toma como 20 años. Variables medidas Para el estudio de volúmenes vehiculares se hace mayor énfasis en la determinación de la distribución vehicular típica de la zona y la estimación del volumen de vehículos pesados, para lo cual se consideran los siguientes tipos: Figura 10. Esquema de clasificación de vehículos 51

52 FUENTE: manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito Series históricas En la tabla 17 se presenta la información existente entre los años 1997 y 2008 del Instituto Nacional de Vías (INVIAS), en la cual se presentan los datos de la información de la serie histórica y composición del tránsito promedio diario semanal (TPDS) de la estación 284, ubicada en la vía Santander de Quilichao Te de Villa Rica. En la figura 11 se observa la localización de las estaciones de conteo. Figura 11. Localización estaciones de conteo. Estación

53 FUENTE: instituto nacional de vías, volúmenes de tránsito La tabla 17 muestra la información correspondiente al tránsito promedio diario semanal y el porcentaje de automóviles, buses y camiones entre los años 1997 y 2008, a partir de los cuales se puede determinar el porcentaje de crecimiento anual del tránsito y establecer mediante modelos matemáticos de regresión, el comportamiento del flujo vehicular en años futuros. Se presentan también, las gráficas 1, 2 y 3 Con las variación histórica del tránsito discriminadas por tipo de vehículo. Tabla 17. Serie histórica y composición del tránsito promedio diario semanal (TPDS) de la vía Santander de Quilichao-Te de Villa Rica, estación 284 AÑO TPDS AUTOS BUSES CAMIONES % A % B % C

54 VOLUMEN DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO FUENTE: instituto nacional de vías, volúmenes de tránsito Tabla 18. Camiones de conteo total semanal y distribución porcentual, año 2008 CATEGORÍA CANTIDAD PORCENTAJE VEHÍCULO C2-P % C2-G % C3 Y C % C % >C % FUENTE: instituto nacional de vías, volúmenes de tránsito 2008 Grafico 1. Variación histórica de autos 6000 VARIACIÓN HISTÓRICA DE AUTOS AÑO Grafico 2. Variación histórica de buses 54

55 VOLUMEN DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO VARIACIÓN HISTÓRICA DE BUSES AÑO Grafico 3. Variación histórica de camiones 3000 VARIACIÓN HISTÓRICA DE CAMIONES AÑO La información obtenida de las gráficas anteriores sirve para establecer unos parámetros iniciales que permiten evaluar el comportamiento de los volúmenes de tráfico sobre la vía Santander de Quilichao Te de Villa Rica; además, para la proyección de los volúmenes y el cálculo de las cargas mediante el método de ejes equivalentes según las series históricas. Calculo ejes equivalentes Se hace la conversión de la serie histórica del tránsito a ejes equivalentes de 8.2 (Ton). El cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 (Ton) se realiza de la siguiente manera: 55

56 Donde: Para determinar el factor direccional se toma como referencia el manual de diseño de pavimentos asfálticos para bajos volúmenes de tránsito del INVIAS, donde se apoyan en el ancho de calzada para determinar el (Fd) a utilizar. Tabla 19. Factor direccional FUENTE: manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito Al tener la vía un ancho de calzada mayor a 6m, el factor de dirección adoptado para el cálculo del número de ejes equivalentes a 8.2 Ton es de 0.5. El factor carril se determina basado en la tabla 20 de la guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras, basado en el número de carriles que presenta la vía. Tabla 20. Factor carril para vías con diferentes números de carriles. FUENTE: manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito Al tener la vía un carril por sentido, el factor carril adoptado para el cálculo del número de ejes equivalentes a 8.2 Ton es de

57 Los vehículos por su variedad en tamaño y configuración de ejes, generan diferentes efectos sobre la estructura del pavimento. Por esto, establecemos la proporción como factor del daño provocado por cada tipo de vehículo sobre la estructura. Tabla 21. Factor daño por tipo de vehículo FUENTE: manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito NOTA: Los valores que se toman del factor daño, corresponden a los valores consignados en la tabla anterior para cada vehículo cargado. Tabla 22. Valores de tránsito equivalente diario AÑO Año Relativo N 8.2 Ton (Diario (año-1996) observado) Yi En la tabla 22 Se resumen los valores de tránsito equivalente en ejes simples de 8.2 toneladas calculados para cada año de la serie histórica. En la gráfica 4 se observa un análisis de regresión realizado a los datos de la tabla 22, con el fin de determinar el modelo que mejor se ajuste al comportamiento de los datos de tránsito equivalente observado. 57

58 Ejes equivalentes de 8.2 Ton/dia/ambas direcciones DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Grafico 4. Modelos de regresión SERIE HISTORICA DE TRÁNSITO y = e x R² = y = x R² = Ano Relativo (Año-1996) El modelo lineal es el que mejor representa el comportamiento de los datos, por lo tanto, dicho modelo es el que se toma en cuenta para analizar el crecimiento del tránsito. La ecuación para tal comportamiento se presenta a continuación: Donde: Se debe además, estimar la proyección del tránsito para el periodo de diseño, en el carril de diseño y con un nivel de confianza determinado. Para esto, es necesario seguir una serie de pasos que se describen a continuación: Cálculo del error estándar (σ) del modelo de crecimiento del tránsito. Esto se calcula mediante la siguiente ecuación: 58

59 Donde: En la tabla 23 Se presentan los resultados del cálculo del número de ejes equivalentes, para determinar el error estándar para cada uno de los años de la serie histórica. Tabla 23. Valores de tránsito equivalente diario calculado AÑO Año Relativo N 8.2 Ton (Diario N 8.2 Ton (Diario (año-1996) observado) Yi Calculado) Yi modelo (Yi - Yi modelo)^ Con los datos anteriores procedemos a calcular el error estándar (σ), como sigue: σ El valor estándar del modelo corresponde entonces a Procedemos a calcular el error estándar en la predicción del tránsito año por año en el periodo de diseño; o error de pronóstico ( 59

60 En las tablas 24 y 25 se presenta el resumen de resultados de los cálculos realizados. Tabla 24. Cálculo de la sumatoria de las diferencias al cuadrado de cada año de la serie histórica y el año medio de dicha serie histórica AÑO (Xi - X)^ Tabla 25. Error de pronóstico para cada uno de los años del periodo de diseño AÑO σ (pronostico)

61 El tránsito proyectado en cada uno de los años del periodo de diseño debe corregirse con base en el nivel de confianza deseado. El nivel de confianza para la vía objeto de estudio, se considera apropiado del noventa por ciento (90%). Tabla 26. Valores del parámetro Zr que asegura el nivel de confianza deseado FUENTE: manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito Tabla 27. Valores de corrección para cada año del periodo de diseño 61

62 Cj ejes de 8.2 Año ton/dia/ambas direcciones Tabla 28. Ejes equivalentes para todos los años del periodo de diseño, con confiabilidad del 90% 62

63 Ejes equivalentes de 8.2 Ton/dia/ambas direcciones DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO (N'j) ejes de 8.2 Año Ton/dia/ambas direcciones De acuerdo al modelo de regresión seleccionado anteriormente, y para una confiabilidad de 90%, la tendencia seguida por el transito equivalente diario durante el periodo de diseño se puede observar en la siguiente gráfica. Grafico 5. Transito equivalente diario del periodo de diseño con confiabilidad de 90% SERIE HISTORICA DE TRÁNSITO Periodo de conteo Periodo de diseño Ano Relativo (Año-1996) Proyección con confiabilidad de 90% 63

64 El cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton acumulados en el carril de diseño, durante el periodo de diseño, se calculan mediante la siguiente expresión N 8.2 ton carril de diseño normal TRÁNSITO PAVIMENTO RÍGIDO En el diseño del pavimento rígido no se tienen en cuenta las mismas consideraciones que en el diseño de pavimentos flexibles Tabla 29. Datos históricos de tránsito (estación 284) AÑO Año Relativo (año-1996) TPDS (Yi) En la gráfica 6 se muestra la regresión lineal de la serie histórica, que es la que mejor se ajusta a un comportamiento uniforme del tránsito promedio diario semanal (TPDS). 64

65 TPDS (Yi) DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Gráfica 6. Regresión lineal de la serie histórica del tránsito SERIE HISTÓRICA DE TRÁNSITO y = 290.6x R² = AÑO RELATIVO (Año-1996) En la gráfica 6 Se observa que el valor de R2 no es cercano a 1, por lo tanto, descartamos datos atípicos, dichos datos corresponden a los años 2001, 2002 y Así, tenemos que: Tabla 30. Corrección de datos históricos AÑO Año Relativo (año-1996) TPDS (Yi) La gráfica que resulta se muestra a continuación 65

66 TPDS (Yi) DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Grafica 7. Regresión lineal de la serie histórica de tránsito corregida SERIE HISTÓRICA DE TRÁNSITO y = x R² = AÑO RELATIVO (Año-1996) El crecimiento del tránsito se analiza entonces, por medio de la ecuación que se presenta a continuación: Donde: De la ecuación anterior obtenemos los siguientes datos: En la tabla 31 Se presentan los resultados de los cálculos realizados, para determinar el error estándar para cada uno de los años de la serie histórica. Tabla 31. Tránsito promedio Diario Semanal (TPDS) Calculado 66

67 AÑO Año Relativo (año-1996) TPDS (Yi) TPDS (Yi modelado) (Yi - Yi modelado)`^ Con los datos anteriores procedemos a calcular el error estándar (σ), como sigue: σ El valor estándar del modelo corresponde entonces a Procedemos a calcular el error estándar en la predicción del tránsito año por año en el periodo de diseño; o error de pronóstico ( En las tablas 32 y 33 se presenta el resumen de resultados de los cálculos realizados. Tabla 32. Cálculo de la sumatoria de las diferencias al cuadrado de cada año de la serie histórica y el año medio de dicha serie histórica 67

68 AÑO (Xi - X)^ Tabla 33. Error de pronóstico para cada uno de los años del periodo de diseño 68

69 AÑO σ (pronostico) El tránsito proyectado en cada uno de los años del periodo de diseño debe corregirse con base en el nivel de confianza deseado. El nivel de confianza para la vía objeto de estudio, se considera apropiado del noventa por ciento (90%). 69

70 Tabla 34. Valores del parámetro Zr que asegura el nivel de confianza deseado FUENTE: manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito Tabla 35. Valores de corrección para cada año del periodo de diseño 70

71 TPDS Cj Año dia/ambas direcciones Tabla 36. Ejes equivalentes para todos los años del periodo de diseño, con confiabilidad del 90% 71

72 TPDS (N'j) Año dia/ambas direcciones De acuerdo al modelo de regresión seleccionado anteriormente, y para una confiabilidad de 90%, la tendencia seguida por el transito equivalente diario durante el periodo de diseño se puede observar en la siguiente gráfica Grafico 8. Transito equivalente diario del periodo de diseño con confiabilidad de 90% 72

73 Ejes equivalentes de 8.2 Ton/dia/ambas direcciones DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO SERIE HISTORICA DE TRÁNSITO Periodo de diseño Proyección con confiabilidad de 90% Periodo de conteo Ano Relativo (Año-1996) El cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton acumulados en el carril de diseño, durante el periodo de diseño, se calculan mediante la siguiente expresión TPA carril de diseño normal Conocido lo anterior, se debe establecer el número de pasadas por cada tipo de vehículo, como se muestra en la tabla 37. Tabla 37. Número de repeticiones de carga Eje simple - rueda simple (6 ton) Eje simple - rueda doble (11 ton) Eje tandem - rueda doble (22 ton) Eje tridem - rueda doble (24 ton) Repeticiones de Carga Con los datos de tránsito calculado, se puede proceder al diseño del pavimento rígido y flexible por cada uno de los métodos. 73

74 7.3. EVALUACIÓN DE SUELOS El factor más importante en la determinación de los espesores de diseño del pavimento, es la respuesta del suelo de subrasante ante las cargas del tránsito. De la calidad que tenga ésta capa dependerán, en gran parte, los espesores sean de un pavimento rígido o flexible. Del estudio geotécnico se determinan las características físico mecánicas de la subrasante, y se determinan la capacidad de soporte o resistencia a la deformación por esfuerzo cortante bajo las cargas del tránsito. Se determina, además, el perfil del suelo mediante perforaciones o excavaciones (apiques) que permiten identificar los estratos y calcular sus propiedades: Límites de Atterberg, CBR inalterado y Penetrómetro dinámico de cono (PDC). La subrasante es la capa más importante para el diseño de una estructura de pavimentos, ya que es esta la que va a dar soporte a la estructura MAGNITUD DEL ESTUDIO TRABAJO DE CAMPO Con el fin de conocer el perfil estratigráfico de la vía, y sectorizarla en tramos homogéneos, se realizaron 21 apiques de forma tal que permitieran la recolección de datos representativos. Se realiza el registro de los espesores de las diferentes capas, y la toma de muestras de la subrasante, con el fin de determinar las características de la misma CARACTERÍSTICAS DE LOS SONDEOS A continuación se presenta el análisis de los resultados obtenidos de cada uno de los apiques, mediante los ensayos de laboratorio y el perfil estratigráfico. Apique 1: Se realizó un sondeo a una profundidad comprendida entre 0.0m y 0.70m, la estratificación obtenida de este sondeo fue: Carpeta asfáltica con espesor de 0.10m Base granular triturada, grava limo arenosa no plástica con espesor de 0.20m Grava areno limosa con sobre tamaño >3, con espesor de 0.40m 74

75 Apique 2: El sondeo se realizó a una profundidad comprendida entre los 0.0m y los 1.5m. La estratificación obtenida corresponde a: Relleno limo arenoso contaminado, de espesor 0.10m Grava limo arenosa de espesor 0.30m Material de relleno limo de espesor 0.25m Limo de espesor 0.85m Apique 3: Sondeo realizado a una profundidad comprendida entre 0.0m y 1.0m, la estratificación obtenida de este sondeo corresponde a: Capa de relleno con descapote, espesor 0.10m Base triturada, grava limo arenosa de espesor 0.20m Grava areno limosa de espesor 0.70m Apique 4: Sondeo realizado a una profundidad entre 0.0m y 1.40m, la estratificación obtenida se describe a continuación: Capa de descapote, espesor 0.10m Grava triturada limo arenosa, espesor 0.15m Grava limosa (material de río), espesor 0.35m Grava limo arenosa, espesor 0.8m Apique 5: Este sondeo se realizó a una profundidad comprendida entre 0.0m y 1.0m, la estratificación obtenida se muestra a continuación: Base granular triturada areno limosa, espesor 0.30m Grava limo arenosa, espesor 0.70m Apique 6: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.60m, a continuación se describe la estratificación obtenida: Base granular triturada limo arenosa, espesor 0.30m Grava areno limosa, espesor 0.30m Limo, espesor 0.50m 75

76 Apique 7: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.20m, a continuación se describe la estratificación obtenida: Carpeta asfáltica, espesor 0.10m Grava triturada areno limosa, espesor 0.20m Grava limo arenosa, espesor 0.90m Apique 8: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.40m, a continuación se describe la estratificación obtenida: Material orgánico con escombros, espesor 0.20m Base granular triturada areno limosa, espesor 0.20m Limo arenosa, espesor 1.0m Apique 9: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida: Capa de relleno, espesor 0.10m Grava areno limosa con sobre tamaño, espesor 0.70m Grava limo arenosa, espesor 0.50m Apique 10: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida: Capa de relleno, espesor 0.15m Grava triturada areno limosa, espesor 0.25m Grava areno limosa, espesor 0.80m Limo, espesor 0.30m Apique 11: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.40m, a continuación se describe la estratificación obtenida: Descapote, espesor 0.15m Grava triturada areno limosa, espesor 0.25m Grava areno limosa, espesor 0.60m Grava limo arenosa, espesor 0.20m 76

77 Grava areno limosa, espesor 0.20m Apique 12: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida: Limo orgánico contaminado, espesor 0.20m Grava triturada areno limosa, espesor 0.40m Grava areno limosa (de río), espesor 0.40m Material meteorizado grava areno limosa, espesor 0.40m Grava limo arenosa, espesor 0.10m Apique 13: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 0.80m, a continuación se describe la estratificación obtenida: Grava limo arenosa (triturada), espesor 0.30m Grava limo arenosa, espesor 0.50m Apique 14: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.20m, a continuación se describe la estratificación obtenida: Grava areno limosa triturada, espesor 0.25m Grava limo arenosa de río, espesor 0.35m Material meteorizado grava limo arenosa, espesor 0.20m Limo, espesor 0.40m Apique 15: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida: Descapote orgánico, espesor 0.15m Grava triturada areno limosa, espesor 0.25m Grava areno limosa con sobre tamaño, espesor 0.20m Grava areno limosa, espesor 0.30m Arcilla, espesor 0.6m Apique 16: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida: 77

78 Descapote orgánico, espesor 0.15m Grava areno limosa con sobre tamaño, espesor 0.20m Grava areno limosa, espesor 0.25m Grava areno limosa meteorizada, espesor 0.60m Arcilla, espesor 0.30m Apique 17: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida: Material orgánico, espesor 0.10m Grava triturada areno limosa, espesor 0.15m Grava areno limosa con sobre tamaño, espesor 0.55m Arcilla, espesor 0.70m Apique 18: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.25m, a continuación se describe la estratificación obtenida: Material orgánico, espesor 0.15m Grava triturada areno limosa, espesor 0.25m Grava limo arenosa, espesor 0.85m Apique 19: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.40m, a continuación se describe la estratificación obtenida: Material orgánico, espesor 0.20m Grava triturada areno limosa, espesor 0.30m Grava de río areno limosa, espesor 0.90m Apique 20: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.60m, a continuación se describe la estratificación obtenida: Orgánico con gravilla, espesor 0.10m Grava arcilla arenosa meteorizada, espesor 0.60m Grava arcilla arenosa, espesor 0.30m Grava areno limosa, espesor 0.40m Arcilla, espesor 0.20m Apique 21: 78

79 Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.20m, a continuación se describe la estratificación obtenida: Orgánico, espesor 0.05m Grava triturada areno limosa, espesor 0.45m Grava areno limosa, espesor 0.70m PERFIL ESTRATIGRÁFICO El perfil estratigráfico se hace con el fin de observar los cambios de estratos y suelos presentes a lo largo de toda la vía. El perfil se presenta a continuación: Figura 12. Perfil estratigráfico 79

80 CONVENCIONES Carpeta asfáltica Base granular triturada grava limo arenosa, sin plasticidad, humedad baja, compacidad compacta Grava areno limosa de color café con sobre tamaño >3" humedad baja, compacidad compacta Capa de relleno limo arenoso contaminado de baja plasticidad Material de gravas limo arenoso, color café sin plasticidad. Humedad media a alta, compacidad media a compacta Material de relleno limo de alta plasticidad, con arenas y gravas color rojizo amarillo, humedad menor al límite plástico, Limo de mediana plasticidad con gravas y arenas de color rojizo con vetas negras, humedad natural menor al límite plástico, Capa de relleno con descapote Capa de base triturada grava limo arenosa, sin plasticidad, color gris, humedad baja, compacidad compacta Capa de descapote Grava limo arenosa de color meteorizado, color café con vetas amarillas, sin plasticidad, compacidad compacta Arcilla de alta plasticidad, color negro, humedad cercana al límite plástico, consistencia media Arena limosa con gravas trituradas, sin plasticidad color gris, compacidad compacta Material orgánico con escombros Limo de baja plasticidad con arenas y gravas color café amarilloso, con trazas negras y rojas, humedad mayor al límite Limo de alta plasticidad color café amarilloso con trazas negras, grises y rojas, humedad natural cercana al límite plástico, Material meteorizado arena limosa con gravas sin plasticidad, color con trazas rojas, negras, grises y amarillas, humedad baja, compacidad compacta Grava areno limoso sin plasticidad color negro, humedad baja, compacidad media a compacta Limo de alta plasticidad de color café con vetas negras, humedad natural menor al límite plástico, consistencia media Arcilla de mediana plasticidad, color negro, humedad cercana al límite plástico consistencia firme Grava areno limosa sin olasticidad meteorizado color rojo con vetas rojas, negras, amarillas y blancas, humedad mayor al límite plástico, compacidad compacta Arcilla de mediana plasticidad color café oscuro con vetas amarillas, negras y oxidación, humedad menor al límite plástico, consistencia media Orgánico con gravilla Grava arcilla arenosa de mediana plasticidad, meteorizada color rojizo con vetas rojas, blancas, negras y amarillas, humedad baja, compacidad compacta Arcilla de alta plasticidad color negro con vetas rojas, amarillas y grises, humedad menor al límite plástico, consistencia media 80

81 7.4. CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO El buen diseño de la estructura debe garantiza el funcionamiento de la vía, para su diseño se consideran cargas dinámicas estimadas para un periodo de diseño, el cual está relacionado con el nivel de transito, para esto es necesario determinar las características mecánicas de los materiales que cumplan con los parámetros especificados en la parte estructural como funcional ya que debe garantizar al usuario parámetros físicos relacionados con el diseño geométrico y el índice de servicio necesario para su confort y seguridad SUBRASANTE De acuerdo al valor obtenido del CBR se tiene una estructura de soporte apta para la estructura de pavimento, para el cálculo del modulo resiliente de esta capa se calcula según el manual de bajos volúmenes de transito INVIAS, tabla 4.4 bajos se debe hacer una corrección del CBR, ya que se presenta un valor muy pequeño. Se toma un valor de acuerdo a la tabla 38 Tabla 38. Categorias de subrasante Se toma un comportamiento de bueno para la subrasante, obteniendo una categoría de S3 y un valor de 7% Donde 81

82 SUB-BASE Para trabajar el material de la subbase es necesario tomar un CRB de acuerdo a las especificaciones del INVIAS el cual establece, un mínimo de 30%. En nomograma de la AASHTO se entra con el valor escogido del CBR para este caso un CBR: 50% y con este se determina el modulo resiliente del material Figura 13. Nomograma para calcular coeficiente estructurar de la sub-base granular 82

83 Para un valor de CBR de 50% en el nomograma se obtiene el valor de modulo resiliente y un BASE Para la caracterización el material debe cumplir con las especificaciones de la norma INVIAS; que exige un CBR minimo de 80% el cual debe ser analizado en el nomograma de la ASSHTO y de esta manera obtener el coeficiente a2y modulo resiliente del material. Para este caso se toma un CBR: 80% Figura 14. Nomograma para calcular coeficiente estructurar de la base granular Del nomograma se obtiene un a2: y un modulo resiliente (MR):28400Psi 83

84 CARPETA ASFÁLTICA De la caracterización dinámica se tomaron los siguientes datos: T800=53 grados Penetración a 25 grados= mm Figura 15. Índice de penetración nomogramas Van Der Poel Temperatura de mezclado Es necesario hallar la temperatura de la mezcla, la cual se obtiene del grafico entrando con los siguientes datos. 84

85 Figura 16. Temperatura de mezcla De la grafica se obtuvo la temperatura de la mezcla que es T: 38 C Módulo de rigidez del asfalto 85

86 Figura 17. Nomograma para el cálculo del modulo de rigidez del asfalto En el nomograma de Van Der Poel se determina un módulo de rigidez del asfalto Módulo de rigidez de la mezcla asfáltica % Vol. asfalto % Volumen de agregados (Vg):

87 Figura 18. Nomograma para el cálculo del modulo de rigidez de la carpeta asfáltica Coeficiente estructural a 1 para capas de concreto asfaltico: Se halla el coeficiente estructural a 1 en función del Módulo Resiliente del concreto asfaltico 87

88 Figura 19. Coeficiente estructural de la carpeta asfáltica Con base en la grafica se obtiene un valor de variación del coeficiente a 1 = DISEÑO DEL PAVIMENTO FLEXIBLE La estructura del pavimento flexible se conforma por las capas de carpeta asfáltica, base, subbase y subrasante o superficie de apoyo. Los esfuerzos que llegan a la subrasante no pueden ser mayores a los admisibles, de lo contrario se generarían grandes deformaciones que se reflejarían en la capa de rodadura. Los esfuerzos generados por las cargas del tránsito, las solicitaciones a la estructura del pavimento, son distribuidas por la estructura a la subrasante, por ello es importante hacer un diseño que cumpla las especificaciones. Para el diseño del pavimento asfáltico se adoptan las siguientes metodologías: Método racional Método de la AASHTO 93 Leyes de fatiga MÉTODO AASHTO 88

89 El diseño del pavimento flexible se hace usando en primera instancia el método de la AASHTO, como indicador del cálculo final de espesores, por ser este método conservador, lo que significa que los espesores arrojados por el programa son demasiado grandes. La tabla 39 muestra un resumen de los datos de entrada Tabla 39. Datos de entrada para el método de la AASHTO PERIODO DE DISEÑO 20 años EJES EQUIVALENTES Mr BASE (Psi) Mr SUBBASE (Psi) Mr SUBRASANTE (Psi) E MEZCLA ASFÁLTICA PSI Cálculo del número estructural (SN): Para el cálculo de los números estructurales de las capas del pavimento se utilizó el programa de la AASHTO 93. Se debe tener en cuenta como datos de entrada, el nivel de confiabilidad y la desviación estándar. Tabla 40. Niveles de confiabilidad recomendada por AASHTO De a cuerdo a la clasificación funcional de la vía, se escoge un porcentaje de confiabilidad del 90%, y una desviación de So =

90 Para obtener los valores de los coeficientes m2 y m3, correspondientes a las capas de base y subbase respectivamente, el método de la AASHTO se basa en la capacidad que tiene el drenaje de remover la humedad interna del pavimento. Para la vía Santander de Quilichao Te de Villa Rica, asumiremos la calidad del drenaje de base y subbase como bueno, es decir, que el agua es removida en un día Tabla 41. Capacidad del drenaje para remover la humedad En la tabla 41 se observan los valores recomendados para m2 y m3 (bases y subbases sin estabilixar), en función de la calidad del drenaje presentan valores recomendados de m2 y m3 (bases y sub-bases granulares sin estabilizar) en función de la calidad del drenaje y el porcentaje del tiempo a lo largo de un año, en el cual la estructura del pavimento pueda estar expuesta a niveles de humedad próximos a la saturación. Tabla 42. Valores mi recomendados para modificar los coeficientes estructurales de capa bases y sub-bases sin tratamiento. De acuerdo a la tabla anterior, tenemos que os valore de los coeficientes m2 y m3 equivalen a 1.0, una calidad de drenaje buena y el tiempo al cual está expuesta la estructura del pavimento a niveles de humedad próxima a la saturación es moderada. Para determinar los espesores de las capas individuales se requiere encontrar el número estructural para proteger la capa inferior 90

91 Imagen 3. Numero estructural. Cálculo del número estructural de la carpeta asfaltica (SN 1 ) Imagen 4. Numero estructural carpeta asfaltica (SN 1 ) 91

92 Calculo del numero estructural de la base y la carpeta asfaltica (SN 2 ) Imagen 5. Numero estructural carpeta asfaltica y base (SN 2 ) Calculo del numero estructural de la sub-base, base y carpeta asfaltica (SN 3 ) Imagen 6. Numero estructural carpeta asfaltica, base y sub-base (SN 3 ) 92

93 Para calcular los espesores por el método de la AASHTO, se tienen los siguientes datos: Tabla 43. Datos para calcular espesores por método AASHTO a1 0.45/pulgada a /pulgada a /pulgada SN SN SN m2 1.0 m3 1.0 N 59.31x10 6 A continuación en la tabla 44 se muestran los espesores mínimos admisibles para las capas asfálticas y la base granular Tabla 44. Espesores mínimos admisibles para las capas asfálticas y la base granular 93

94 Espesor de la carpeta asfáltica: Para calcular el espesor de la carpeta asfáltica se utiliza la siguiente expresión: De lo anterior, podemos concluir que se cumple con los espesores mínimos establecidos, consignados en la tabla 45 Se corrige el número estructural de la carpeta asfáltica debido a la aproximación del espesor. Cálculo del espesor de la base El espesor de la base calculado por el método de la ASSHTO no cumple con el espesor mínimo permitido, por lo que se incrementa hasta 6 (in) 94

95 Se corrige el número estructural: Espesor de la Sub-base Según el cálculo del espesor de la capa de sub-base se requiere dicha capa, ya que el número estructural SN3 es mayor que SN2 es decir que la resistencia requerida para soportar las cargas y esfuerzos transmitidos por los ejes equivalentes, no la soportan la carpeta asfáltica y la base granular solas necesitan de la sub-base. Según el método de la AASHTO los espesores de las capas de la estructura del pavimento flexible son: 95

96 Tabla 45. Espesores pavimento flexible AASTHO CAPA H (CM) Carpeta asfáltica 22 Base 16 Sub-base MÉTODO RACIONAL Partiendo de los datos de la caracterización de las capas de la estructura del pavimento, tales como CBR, módulos resilientes (Mr) y modulo dinámico de la mezcla, se calculan los esfuerzos y deformaciones de la carpeta asfáltica (esfuerzos por tracción) y en la subrasante (esfuerzos por compresión), mediante el uso del software DEPAV. Los resultados obtenidos se muestran a continuación: Tabla 46. Características de las capas de la estructura del pavimento asfaltico CAPA E (Kg/cm 2 ) μ H (cm) Carpeta asfáltica ,35 15 Base Subbase ,35 30 Subrasante Imagen 7. Determinación de esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada. 96

97 Imagen 8. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada Imagen 9. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada Cálculo de los esfuerzos admisibles 97

98 Para calcular las deformaciones admisibles para la estructura del pavimento obtenida se utilizan las leyes de fatiga: Deformación admisible en la carpeta asfáltica Donde: diseño. Numero acumulado de ejes de 8.2 toneladas en el carril de diseño, Durante el periodo de Tabla 47. Coeficientes de Calage Los valores obtenidos para los coeficientes de calage son: Por lo tanto, reemplazando en la ecuación: ξ rca =(0.856x )x(3.5x10 10 ) x( /8.25)

99 ξ rca = 1.438x 10-4 Deformación admisible para la subrasante En la tabla 48 se muestran los espesores finales de cada una de las capas del pavimento flexible, que cumplen con las deformaciones unitarias admisibles Tabla 48. Características de las capas de la estructura del pavimento asfaltico CAPA E (Kg/cm 2 ) μ H (cm) Carpeta asfáltica Base Sub-Base Sub-Rasante Imagen 10. Determinación de esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada 99

100 Imagen 11. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada Imagen 12. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada 100

101 En la tabla 49 se comparan los resultados de esfuerzos y deformaciones obtenidos por el DEPAV y se comparan con las deformaciones admisibles arrojadas por las leyes de fatiga Tabla 49. Comparación de las deformaciones calculadas con las admisibles. DEFORMACIONES CALCULADAS DEFORMACIONES ADMISIBLES ξ Calculadas <ξ Admisibles 1.35 x x 10-4 Cumple 2.48 x x10-4 Cumple ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO FLEXIBLE POR MEDIO DEL METODO RACIONAL 7.6. DISEÑO DE PAVIMENTO RÍGIDO La metodología que se utiliza para el diseño del pavimento rígido es la PCA, la cual considera dos criterios de evaluación en el proceso de diseño: Criterio de erosión de la subbase: Se basa en el análisis de falla del pavimento por bombeo excesivo, erosión del suelo de soporte y diferencia en elevaciones de las juntas. Fatiga del pavimento de concreto: El pavimento puede fallar por excesivas repeticiones de carga DISEÑO DE PAVIMENTO RÍGIDO MEDIANTE EL MÉTODO PCA 101

102 Para el diseño del pavimento rígido de la vía Santander de Quilichao Te de Villa Rica, se utiliza el método de la Portland Cement Association (PCA). A continuación se muestran los datos necesarios para el método: Modulo de reacción de la Subrasante: Para el diseño del pavimento rígido, es necesario determinar el módulo de reacción de la estructura. El módulo de reacción de la subrasante se determina de acuerdo a lo establecido en el manual de diseño de pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes (INVIAS), tal como se observa a continuación: Figura 20. Relación entre la clasificación del suelo y los valores de CBR y k Arroja un valor de Modulo de reacción de la subrasante de 46(Mpa/m) 102

103 Tabla 50. Influencia del espesor de la base en el valor de k De la tabla anterior se toma un espesor de la losa de 225mm y un K de la base de 61(Mpa/m) Resistencia a la flexión del concreto De acuerdo a la tabla 51 obtenida del manual de diseño de concreto de INVIAS, el módulo de rotura del concreto es de para un número de camiones en un día > 300. Tabla 51. Resistencia que debe alcanzar el concreto Se realiza el diseño de pavimentos rígidos por el método de la PCA, esto se hace con los valores obtenidos anteriormente. BS-PCA DISEÑO DE PAVIMENTOS RIGIDOS PCA El primer paso es ingresar los datos con los que se cuenta 103

104 Figura 21. Diseño pavimento rígido espesor 263 (mm) Se proceden a ingresar las cargas por eje y sus respetivas repeticiones, tanto para eje simple como para tándem y tridem Figura 22. Repeticiones esperadas de ejes simples 104

105 Figura 23. Repeticiones esperadas de ejes tandem Figura 24. Repeticiones esperadas de ejes tridem 105

106 Se obtiene un consumo total de esfuerzo de 0%, y un consumo total de erosión de 98.14% De lo anterior se determina un diseño de pavimento rígido con una resistencia K del apoyo de 61 Mpa, un espesor de la losa de 263mm (26.3cm) y un modulo de rotura de la losa de 4.5 Mpa 106

107 8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES La estructura diseñada con el programa DEPAV dio como resultado Estructura Modulo Relacion de Espesores resiliente (E) Poisson (cm) Capeta Base Sub-base Sub-rasante Comparando sus resultados con el AASHTO-93 el cual arrojo los siguientes resultados Estructura Espesores (cm) Carpeta Asfáltica 22 Base 16 Sub-base 17 Para el análisis del tránsito se tuvo en cuenta un periodo de diseño de 20 años para pavimento flexible y 30 años para pavimento rígido. En cuanto al diseño de pavimento flexible se determino que el numero de ejes equivalentes de 8.2 toneladas (Eje simple de rueda doble) que demandara la vía para su diseño es de , y para el pavimento rígido se analiza la repetición de cargas de los vehículos comerciales teniendo que la repetición de carga de un eje simple es de y para un eje tándem las repeticiones es de y repeticiones esperadas de ejes tridem es de De los 21 apiques y análisis de suelos se tiene que el suelo característico es grava areno limosa con presencia de arcillas cuyo valor de CBR sumergido fue de 1.5% y un CBR sin sumergir de 2.15%, por lo tanto se recomienda el retiro de este material por un material con un valor de CBR mayor que pueda soportar la estructura del pavimento y las cargas dinámicas del tránsito vehicular. 107

108 El diseño del pavimento rígido se realizo mediante la metodología del PCA, en el cual se conjugan las características físico-mecánicas de la capa de soporte y la relación de los vehículos comerciales para obtener el factor carga, como resultado se tiene un diseño de pavimento rígido conformado por una placa de concreto de 26.3 (cm) de espesor. 108

109 9. BIBLIOGRAFÍA BRAJA M. Das. Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. Editorial Thomson Learning. California State University of Sacrament. Copyright international S.A Manual de diseño para transito de bajos volúmenes INVIAS. Manual para la inspección de pavimentos flexibles. Bogotá D.C. Octubre de Pavement condition index (PCI), para pavimentos asfalticos y de concreto en carreteras, Manizales Abril de Memorias de clase: Ing Hugo Leon Arenas Lozano. Memorias de clase: Julia Eugenia Ruiz. Memoria de clase: Ing. Fernando Sánchez Sabogal. 109

110 10. ANEXOS 110

111 10.3. ANEXO 1: CBR De los apiques se obtiene los CBR tanto sumergidos como no sumergidos. CBR SIN SUMERGIR CBR SUMERGIDO APIQUE APIQUE APIQUE APIQUE APIQUE APIQUE APIQUE APIQUE APIQUE CBR SIN SUMERGIR valor de CBR # MUESTRAS CBR >= % MUESTRAS CON VALORES % % % % % % % % % De acuerdo al número de 8.2 Ton de carril de diseño normal en este caso N 8.2 ton carril de diseño normal 59,316, Con este valor se va a la tabla y donde se calcula el valor de diseño con el cual se entra a la grafica y se obtiene el CBR. 111

112 Título del eje DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO CLASE NIVEL DE TRAFICO VALOR DISEÑO LIVIANO N<=10^4 Rep. 8.2 T 60% MEDIANO 10^4--10^6 Rep. 8.2 T 75% PESADO >=10^6 Rep. 8.2 T 87.5% 120% 100% 80% 60% CBR 40% 20% 0% Título del eje De la grafica anterior se obtiene un CBR para condiciones sin sumergir de 2.15%. valor de CBR CBR SIN SUMERGIDO # MUESTRAS CBR >= % MUESTRAS CON VALORES % % % % % % % 112

113 Título del eje DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO 120% 100% 80% 60% BCR SUMERGIDO 40% 20% 0% Título del eje 113

114 ANEXO 2: Marshall Introducción El diseño de las mezclas bituminosas se realiza mediante procedimientos empíricos de laboratorio y requiere las experiencias en campo para determinar si el análisis es correcto. El método empírico más utilizado en el diseño de mezclas asfálticas es el diseño Marshall, esta técnica fue desarrollada por Bruce Marshall quien depuro y adiciono ciertos aspectos a las propuestas de Marshall a punto de que el método fue normalizado como ASTM En esta técnica se determina el porcentaje óptimo de betún y los ensayos se dirigen solo a determinar las propiedades mecánicas de los materiales y en un futuro las del pavimento, garantizando las proporciones volumétricas de los componentes para tener unos rangos adecuados para una mezcla durable. El pavimento asfaltico puede tener una vida útil de hasta 20 años siempre que se tenga un adecuado control tanto en la dosificación, construcción y mantenimiento de todos los elementos que componen la estructura del pavimento. 114

115 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Determinar el contenido óptimo de asfalto para una mezcla específica de agregados pétreos mediante el método Marshall de diseño de mezclas asfálticas (ASTM D 1559). OBJETIVOS ESPECÍFICOS Determinación de la granulometría de los agregados pétreos finos, gruesos y llenante mineral (INV ). Determinación del índice de aplanamiento y alargamiento de los agregados para carreteras (INV 230). Determinación del equivalente de arena de suelos y agregados finos (INV 133). Determinar la gravedad específica y absorción de agregados gruesos (INV 223). Determinación de la resistencia de la mezcla asfáltica en caliente empleando el aparato Marshall (Ensayos a las briquetas INV 748). 115

116 GENERALIDADES Los pavimentos son estructuras construidas por capas de diversos materiales seleccionados, superpuestas colocadas y compactadas sobre la superficie del terreno. La estructura de un pavimento está construida especialmente para la circulación del tráfico automotor por lo que es una solución económica y eficaz. En Colombia la construcción de carreteras se inicio prácticamente hacia 1930 y la pavimentación de vías hacia Existen tres clases de pavimentos, dependiendo del material de construcción y la forma como recibe y controlan las cargas: Flexible: La superficie se apoya sobre una o mas capas que ayudan a soportar las cargas. Proporcionan una superficie de rodadura muy confortable para el usuario de la vía. Articulado: construido con adoquines, que se colocan sobre una capa de arena. Esta se apoya sobre una capa granular o directamente sobre la subrasante. Regido: se compone de una losa de concreto hidráulico colocadas sobre una o varias capas de material seleccionado. La capacidad estructural depende casi totalmente de la losa. Los asfaltos están compuestos fundamentalmente por asfaltenos que proporcionan las características estructurales y de dureza el asfalto, por resinas que asumen las propiedades cementante y/o aglutinantes, y por aceites que aportan una adecuada consistencia y trabajabilidad. Los asfaltos están compuestos en gran parte por hidrocarburos de consistencia semisólida a temperatura ambiente, pero pueden ser más fluidos a medida que incrementa su temperatura. 116

117 MARCO TEORICO El marco conceptual referente para la realización de los respectivos ensayos y características de los diversos materiales empleados son las correspondiente normas del Instituto Nacional de Vias INV o sus equivalentes ASTM (Ver Anexos), por lo cual para efectos del presente documento se presentará a grandes rasgos los conceptos fundamentales a considerar para un diseño por el método Marshall. El contenido óptimo de asfalto para un material de carpeta es la cantidad de asfalto que forma una membrana alrededor de las partículas, de espesor suficiente para resistir los elementos del intemperismo evitando que el asfalto se oxide con rapidez. Por otro lado, no debe ser tan gruesa como para que la mezcla pierda estabilidad, es decir, deformación excesiva por flujo plástico o resistencia y no soporte las cargas de los vehículos. El método consiste en ensayar una serie de probetas, cada una preparada con la misma granulometría y con diferentes contenidos de asfalto. El tamaño de las probetas es de 2.5 pulgadas de espesor y 4 pulgadas de diámetro. Dichas probetas se preparan siguiendo un procedimiento específico para calentar el asfalto y los agregados, mezclar y compactar. Las probetas preparadas con el método se rompen en la prensa Marshall, determinado su estabilidad (resistencia) y deformación. Si se desean conocer los porcentajes de vacíos de las mezclas así fabricadas, se determinarán previamente los pesos específicos de los materiales empleados y de las probetas compactadas, antes del ensayo de rotura. 117

118 Definiciones Vacíos en el Agregado Mineral (VMA): Es el volumen ocupado por el asfalto efectivo y los vacíos atrapados entre los agregados recubiertos, se expresa como un porcentaje del volumen total de la muestra. Asfalto efectivo (P be ): Es el contenido de asfalto total de la mezcla menos la porción de asfalto que se pierde por absorción dentro de la partícula de agregado. Vacíos de aire (Va): Es el volumen de aire atrapado, entre las partículas de agregado recubierto por asfalto, luego de la compactación. Vacíos llenos con asfalto (VFA): Es el volumen ocupado por el asfalto efectivo ó el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, ocupado por asfalto. Donde: V ma = Volumen de vacios en el agregado mineral V mb = Volumen bulk de la mezcla compactada V mm = Volumen de la mezcla suelta 118

119 V fa = Volumen de vacíos llenos con asfalto V a = Volumen de vacíos de aire V b = Volumen de asfalto V ba = Volumen de asfalto absorbido V sb = Volumen de agregado mineral (para gravedad específica bulk) V se = Volumen de agregado mineral (para gravedad específica efectiva). PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS DE MEZCLAS ASFÁLTICAS Se listan todas las mediciones y cálculos necesarios para el análisis de vacíos: a) Medir la gravedad específica bulk del agregado grueso y del agregado fino. b) Medir la gravedad específica del cemento asfáltico. c) Calcular la gravedad específica bulk de la combinación de agregados en la mezcla. d) Medir la Gravedad Específica Teórica Máxima de la mezcla suelta. e) Medir la Gravedad Específica Bulk de la mezcla compactada. f) Calcular la Gravedad Específica Efectiva del Agregado. g) Calcular la Gravedad Específica Teórica Máxima de la mezcla para otros contenidos de asfalto h) Calcular el porcentaje de asfalto absorbido por el agregado, P ba. i) Calcular el contenido de asfalto efectivo de la mezcla, P be. j) Calcular el porcentaje de vacíos de la mezcla compactada, VMA. k) Calcular el porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada, V a l) Calcular el porcentaje de vacíos llenos con asfalto. 119

120 Ecuaciones A Emplear Densidad Determinación De Masa Determinación De Volúmenes 120

121 ENSAYOS DE LABORATORIO REALIZADO A LOS MATERIALES Acorde con las normativas nacionales, a los materiales precursores de la mezcla asfáltica se les realizaran los siguientes ensayos: ENSAYOS A LOS AGREGADOS Análisis Granulométrico (INV , INV ) 121

122 Índice de Alargamiento Y Aplanamiento (INV , INV ) 122

123 Gravedad específica y absorción de agregado grueso (INV ) 123

124 124

125 Equivalente de arena de agregados finos (INV ) 125

126 126

127 Ensayo de equivalencia de arenas del INVIAS 127

128 Ensayo de desgaste de en la máquina de los ángeles INV. E

129 129

130 130

131 DISEÑO MEZCLA ASFALTICA DETERMINACION DE LAS TEMPERATURAS DE MEZCLA Y COMPACTACION La temperatura de los agregados deberá superar en 20 C a la del cemento asfaltico durante la mezcla, la Planta de Ingeniería de Vías proporciona los valores de mezcla de los agregados con el cemento asfaltico siendo la temperatura para el cemento asfaltico de 148ºC y la temperatura de los agregados de 168ºC. DETERMINACION DE LAS PROPORCIONES DE MEZCLA Según la Norma Invias se tiene unas gradaciones ideales de los materiales pétreos integrantes de una mezcla asfáltica MDC-2, los materiales que se tiene para el diseño de la mezcla no cumplen por si solos, estos deben ser mezclados en las proporciones ideales para que la curva granulométrica se encuentre entre el rango permitido. Realizando un ensayo por tanteo a continuación se muestran los porcentajes de cada agregado que cumplen dentro de los límites de las especificaciones: 131

132 En la grafica se puede observar que la línea azul y roja son los límites de la especificación para una mezcla MDC-2, mientras que la línea verde es la gradación de los materiales combinado en el porcentaje indicado en tabla anterior que son de 28% para grava triturada, 55% de agregado intermedio, 14% de arena natural y 3% de llenante. Estos porcentajes de material se deben convertir a peso para ser mezclados en laboratorio en las cantidades exactas para ello se debe descontar del 100% de la mezcla el porcentaje de asfalto que se desea incorporar y con el porcentaje restante se obtiene las nuevas proporciones de acuerdo al porcentaje de cada material, considerando que por investigaciones y experiencia de laboratoristas e ingenieros que el peso por cada briqueta es de 1200 g, los pesos de cada material por briqueta se presentan a continuación: ENSAYOS SOBRE LAS PROBETAS COMPACTADAS En el método de ensayo Marshall cada muestra compactada se somete a los siguientes ensayos en el orden indicado: a) Determinación del peso especifico bulk b) Ensayo de estabilidad y flujo c) Análisis de densidad y vacios 132

133 DETERMINACION DEL PESO ESPECÍFICO BULK DE LAS PROBETAS COMPACTADAS El peso especifico bulk de una probeta compactada es la relación entre su peso en el aire y su volumen incluyendo los vacios permeables. Si la probeta tiene una textura superficial densa e impermeable, su peso especifico bulk se determina sencillamente mediante la expresión: Donde, Wa= Peso de la probeta seca en el aire Ww= Peso de la probeta e el agua Wss= Peso en el aire de la probeta saturada y superficialmente seca Luego de realizar los ensayos a las briquetas elaborados se obtuvo la siguiente información: Con los datos obtenidos calculamos el peso específico BULK 133

134 134

135 ENSAYO DE ESTABILIDAD Y FLUJO Los resultados de las briquetas ensayadas son: 135

136 Calculo de volumétricos 136

137 DISEÑO MEZCLA ASFALTICA METODO MARSHALL 137

138 SELECCIÓN DEL PORCENTAJE ÓPTIMO DE ASFALTO Para la selección del porcentaje óptimo de asfalto ingresamos a la grafica volúmenes de vacios Vs Porcentaje de asfalto, con un % de vacios del 4% y seleccionamos el contenido optimo de asfalto. Una vez determinado el porcentaje optimo de asfalto ingresamos al resto de las demás graficas que se relacionan a continuación y se obtiene la formula de trabajo. Grafica Volumen de vacios Vs % Asfalto De esta grafica tenemos un % de asfalto Pb=5.6% 138

139 Grafica Densidad bulk Vs % Asfalto Grafica Vacios en los agregados Vs % Asfalto 139