5 DISEÑO DE PAVIMENTOS 5.1 ASPECTOS GENERALES

Transcripción

1 5 DISEÑO DE PAVIMENTOS 5.1 ASPECTOS GENERALES Actualmente no existe un camino longitudinal costero en todo el tramo desde Chaihuín hasta Bahía Mansa, por lo cual no se cuenta con mediciones de tránsito que sirvan de base para el cálculo de las solicitaciones a que estará sometido el futuro camino. Existe algún tránsito en la zona, en los primeros kilómetros desde Chaihuín al Sur, por un camino forestal dentro de la propiedad de la empresa Bosques S.A. Este tránsito corresponde fundamentalmente a camiones que mueven la producción de dicha empresa. Esto es especialmente cierto, toda vez que hasta Hueicolla, distante 35 km desde Chaihuín, no existe en la actualidad poblados de alguna importancia. Hueicolla es un lugar de veraneo, que cuenta con un número relativamente pequeño de casas pertenecientes a dueños de situación acomodada, que actualmente acceden al lugar principalmente por vía aérea (avionetas), para lo cual cuenta con una cancha de aterrizaje, y un número aún más pequeño de casas de lugareños que las habitan durante todo el año. La construcción del camino costero sin dudas podrá incrementar la población de Hueicolla y eventualmente crear un lugar de veraneo en Colún, localidad ubicada a 15 km de Chaihuín, en dirección a Hueicolla. Esto podría originar un pequeño tránsito consistente en camiones con materiales de construcción, camiones de servicio (abarrotes, bebidas, gas licuado, etc.) y microbuses, durante todo el año. Este tránsito sería más bien liviano y aportaría poco a la solicitación total del camino. Por lo señalado, se optó por diseñar el pavimento para un horizonte de 10 años, seleccionando para el efecto una estructura de pavimento compuesta por capas granulares con un doble tratamiento asfáltico en su superficie. La estructura granular presenta ventajas en este tipo de situaciones, caracterizadas por suelos de bajo soporte y solicitaciones de tránsito no muy significativas, pero que sin duda crecerán poco a poco, una vez que el camino entre en régimen de operación. La principal ventaja radica en que el diseño considera las capas granulares y los espesores necesarios, para pasar en forma armónica desde un suelo con valor del Módulo de Resilencia Mr = 57,7 MPa (para = 6,4%), hasta un Módulo Mr = 277,8 MPa (para = 100%), constituyéndose en una estructura con alta capacidad de soporte, que prestará un adecuado nivel de servicio en los primeros años y que luego será una excelente fundación para construir sobre ella un pavimento de tipo superior (mezcla asfáltica u hormigón), una vez que el camino haya estado algún tiempo en servicio y se haya establecido claramente el tipo de solicitación que deberá soportar.

2 El diseño de la estructura de pavimento, para esta primera etapa del camino, antes de pasar a tener un pavimento de tipo superior, se dimensionó utilizando el método de Morin y Todor aplicado a tratamientos superficiales, considerando, como se señaló anteriormente, una vida de diseño de 10 años. Adicionalmente, haciendo uso de la relación del método Shell, se verificó que los espesores de las capas granulares fueran suficientes para que cada una de ellas pudiera desarrollar la rigidez (módulo) correspondiente a su valor. 5.2 CÁLCULO EN BASE AL MÉTODO DE MORIN Y TODOR de la subrasante, para Diseño El estudio geotécnico ( ver Capítulo 2 ), muestra suelos de fundación son de tipos limo-arenoso y areno-limoso, que clasifican en general como A-4. En el Cuadro 5.1 se resume los valores determinados en ensayes de laboratorio, para muestras tomadas en calicatas excavadas entre el kilómetro 0,00 (Chaihuín) y el kilómetro (Estero Dehui). La capacidad de soporte de estos suelos presenta, a lo largo del camino, las variaciones que se pueden apreciar en la Figura 5.1 que se incluye a posteriori. CUADRO 5.1 RESUMEN DE LOS SUELOS PROSPECTADOS POZO KM CLASIFICACIÓN AASHTO C - 1 0,280 A-3 18,4 C - 2 0,500 A-2-4 4,7 C - 3 0,750 A-2-4 4,7 C - 4 1,000 A ,4 C - 5 1,250 A-2-4 4,7 C - 6 1,500 A-1 b 18,4 C - 7 1,760 A-1 b 21,1 C - 8 2,000 A-1 b 18,4 C - 9 2,250 A-2-4 4,7 C ,500 A-2-4 4,7 C ,750 A-4 3,4 C ,000 A-4 3,4 C ,250 A ,0

3 CUADRO 5.1 RESUMEN DE LOS SUELOS PROSPECTADOS ( Continuación ) POZO KM CLASIFICACIÓN AASHTO C ,500 A-2-4 4,7 C ,750 A-4 3,4 C ,000 A-2-4 4,7 C ,250 A-2-4 4,7 C ,500 A-2-4 4,7 C ,700 A-4 3,4 C ,000 A-1 b 18,4 C ,250 A-4 3,4 C ,500 A-4 3,4 C ,700 A-4 24,8 C ,060 A-4 24,8 C ,240 A-4 3,4 C ,500 A-4 24,8 C ,740 A-4 3,4 C ,000 A-4 24,8 C ,260 A-1 b 34,7 H - 2 7,740 A-4 12,0 H - 3 7,980 A-4 12,0 H - 4 8,240 A-1 b 25,0 H - 5 8,500 A-4 12,0 H - 6 8,740 A ,0 H - 7 8,860 A ,0 H - 9 9,240 A-4 12,0 H ,500 A-4 8,0 H ,740 A-4 11,0 H ,980 A-4 11,0 H ,240 A-4 8,0 H ,380 A-4 8,0 H ,500 A-4 10,0 H ,740 A-4 10,0 H ,960 A-4 12,0 H ,140 A-4 12,0

4 H ,260 A-4 9,0 CUADRO 5.1 RESUMEN DE LOS SUELOS PROSPECTADOS ( Continuación ) POZO KM CLASIFICACIÓN AASHTO H ,500 A-4 11,0 H ,240 A-4 10,0 H ,370 A-4 10,0 H ,500 A-4 18,0 H ,980 A-4 18,0 H ,240 A-4 8,0 H ,500 A-4 11,0 H ,740 A-4 20,0 H ,980 A-4 19,0 H ,240 A-4 11,0 H ,380 A-4 10,0 H ,500 A-4 10,0 H ,720 A-4 19,0 H ,980 A-4 10,0 H ,100 A-4 15,0 H ,240 A ,0 H ,500 A ,0 H ,740 A-4 12,0 H ,960 A-4 20,0 H ,300 A-4 19,0 H ,500 A-4 11,0 H ,740 A ,0 H ,020 A ,0 H ,340 A ,0 H ,480 A ,0 H ,740 A-4 11,0 H ,860 A ,0 H ,980 A ,0 H ,120 A ,0 H ,240 A-4 11,0 H ,380 A-4 11,0

5 H ,500 A-4 19,0 H ,240 A-4 19,0 CUADRO 5.1 RESUMEN DE LOS SUELOS PROSPECTADOS ( Continuación ) POZO KM CLASIFICACIÓN AASHTO H ,360 A-4 15,0 H ,500 A ,0 H ,740 A ,0 H ,960 A ,0 H ,080 A-4 14,0 H ,240 A-4 14,0 H ,380 A-4 14,0 H ,500 A-4 11,0 H ,740 A-4 14,0 H ,980 A-4 11,0 H ,240 A ,0 H ,360 A-4 14,0 H ,500 A-4 11,0 H ,740 A-4 11,0 H ,980 A ,0 H ,240 A-4 11,0 H ,500 A ,0 H ,740 A ,0 H ,980 A-4 19,0 P ,680 A-1 b 34,7 C ,000 A-4 24,8 C ,240 A-4 3,4 C ,500 A-4 3,4 C ,750 A-4 3,4 C ,000 A-4 3,4 C ,280 A-4 24,8 C ,500 A-4 3,4 C ,750 A-4 24,8 C ,000 A-4 24,8 C ,250 A-4 3,4

6 C ,500 A ,0 C ,750 A-2-4 4,7 C ,000 A ,8 CUADRO 5.1 RESUMEN DE LOS SUELOS PROSPECTADOS ( Continuación ) POZO KM CLASIFICACIÓN AASHTO C ,250 A-2-4 4,7 C ,500 A-2-4 4,7 C ,750 A ,4 C ,000 A ,4 C ,300 A-3 18,4 C ,500 A ,8 C ,750 A-3 18,4 C ,000 A-2-4 4,7 C ,250 A-3 18,4 C ,500 A-2-4 4,7 P ,800 A-2-4 4,7 C ,000 A-3 18,4 C ,500 A ,0 C ,750 A ,0 C ,000 A-4 3,4 P ,200 A-4 24,8 C ,500 A-1 b 5,3 C ,750 A-1 a 8,2 C ,260 A ,0 C ,500 A-4 24,8 C ,750 A ,4 C ,000 A ,8 P ,200 A ,4 C ,500 A-2-4 5,3 C ,750 A-4 3,4 C ,000 A-7-5 3,8 P ,260 A-1 b 34,7 C ,500 A-4 3,4 C ,000 A-4 3,4

7 C ,240 A-4 3,4 C ,520 A-4 3,4 C ,750 A-4 24,8 P ,060 A-4 24,8 CUADRO 5.1 RESUMEN DE LOS SUELOS PROSPECTADOS ( Continuación ) POZO KM CLASIFICACIÓN AASHTO C ,250 A-4 3,4 C ,500 A-4 24,8 C ,760 A-4 15,6 C ,020 A ,4 C ,250 A-4 3,4 C ,500 A-4 24,8 C ,750 A-4 3,4 C ,000 A-2-4 4,7 C ,260 A-2-4 4,7 C ,500 A ,0 C ,750 A-1 b 34,7 C ,000 A ,0 C ,250 A ,0 C ,570 A-1 b 34,7 H ,720 A ,0 H ,990 A-1 a 24,0 H ,240 A ,0 H ,500 A ,0 H ,740 A-1 a 18,0 H ,960 A ,0 H ,100 A ,0 H ,240 A-1 b 15,0 H ,500 A ,0 H ,740 A-1 b 15,0 H ,980 A ,0 H ,120 A ,0 H ,240 A-4 10,0 H ,500 A ,0

8 H ,720 A ,0 H ,980 A-1 b 9,0 H ,120 A-1 b 9,0 H ,240 A ,0 H ,500 A-1 b 9,0 CUADRO 5.1 RESUMEN DE LOS SUELOS PROSPECTADOS ( Continuación ) POZO KM CLASIFICACIÓN AASHTO H ,720 A-1 b 18,0 H ,980 A-1 b 9,0 H ,100 A-1 b 9,0 H ,240 A-1 b 9,0 H ,500 A-1 b 9,0 H ,740 A-1 b 9,0 H ,980 A-1 b 9,0 H ,120 A-1 b 9,0 H ,240 A-5 14,0 H ,380 A-5 19,0 H ,500 A ,0 H ,720 A ,0 H ,840 A ,0 H ,740 A-4 10,0 H ,980 A ,0 H ,100 A-1 b 18,0 H ,240 A-1 b 18,0 H ,380 A-1 b 18,0 H ,500 A ,0 H ,740 A-1 b 18,0 H ,960 A-1 b 18,0 H ,500 A-3 9,0 H ,750 A-2-4 8,0 H ,000 A-3 8,0 H ,250 A-1 b 14,0 H ,500 A-1 b 14,0 H ,750 A-1 b 14,0

9 H ,500 A-1 a 18,0 H ,750 A-1 b 14,0 H ,000 A-1 a 18,0 H ,850 A-2-4 9,0 H ,020 A ,0 H ,150 A ,0 CUADRO 5.1 RESUMEN DE LOS SUELOS PROSPECTADOS ( Continuación ) POZO KM CLASIFICACIÓN AASHTO H ,300 A-2-4 9,0 H ,980 A-2-4 9,0 VALOR MEDIO 13,7 DESVIACIÓN ESTÁNDAR 7,23 PERCENTIL 80% 6,4 El valor de diseño corresponde al percentil 80% de la serie estadística de los valores obtenidos en los ensayos de laboratorio ( = 6,4%). A vuelta de página se incluye un gráfico (Figura 5.1) que muestra la distribución espacial de los valores individuales Espesor Mínimo de las Capas Granulares Utilizando la Figura 3.3 del Método de Morin, se encuentra que el espesor total de material granular, sobre la subrasante, deberá ser igual o superior a 34,2 cm. h capas granulares 34,2 ( cm )

10 FIGURA 5.1 DISTRIBUCIÓN ESPACIAL DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE KILOMETRAJE

11 Solicitación de Tránsito Como se señalara anteriormente, se adoptó una vida de diseño de 10 años, lapso de tiempo habitual en el diseño de estructuras granulares con tratamientos asfálticos superficiales en su capa de rodadura. La solicitación de tránsito se determinó, en base al número de camiones forestales, que son los únicos vehículos comerciales de peso significativo que se espera utilicen el camino en el corto plazo. La información proporcionada por la empresa Bosques S.A., indica que una vez construido el camino, se espera mover un volumen de 20 a 25 camiones diarios los primeros años y subir al doble una vez que se construyan en el predio, plantas de procesamiento del producto forestal. El proyecto de estas plantas considera su puesta en servicio en un plazo de 9 a 11 años, es decir queda fuera del horizonte de la vida de diseño fijada para el tratamiento superficial. Considerando que de todas maneras, además de este tránsito, el camino generará algún tránsito menor (camiones con materiales de construcción, abastecimiento de bienes de consumo y microbuses), se ha incluido una tasa de 5% crecimiento anual del número de camiones. a) Volumen de Tránsito Con los antecedentes señalados se calculó el volumen acumulado de tránsito para una vida de diseño de 10 años. Los resultados se incluyen a continuación en el Cuadro 5.2. CUADRO 5.2 CÁLCULO DEL VOLUMEN ACUMULADO DE TRÁNSITO INDICADOR VALOR Número de camiones por día 25 Número de camiones por año Tasa de crecimiento anual 5% Volumen acumulado en 10 años b) Ejes Equivalentes por Camión El camión tipo utilizado por la compañía forestal, corresponde a una unidad tractora de camión simple, con eje delantero simple y eje trasero tandem, que adicionalmente arrastra un remolque con igual configuración de ejes (delantero simple y trasero tandem). Las características de peso, tanto en cuanto a la tara como a la carga de estos vehículos, se muestra en el Cuadro 5.3.

12 CUADRO 5.3 CARACTERÍSTICAS DEL CAMIÓN TIPO UNIDAD TRACTORA UNIDAD REMOLCADA EJE 1 EJE 2 EJE 1 EJE 2 TARA 10 ton 7 ton Repartición 30% 70% 15% 85% CARGA 16 ton 12 ton Repartición 20% 80% 15% 85% Con los antecedentes del Cuadro 5.3 se calculó la equivalencia de 1 camión con carga completa, que es como circulan efectivamente. El cálculo se muestra a continuación, en el Cuadro 5.4. CUADRO 5.4 EQUIVALENCIA DEL CAMIÓN TIPO CAMIÓN TRACTOR REMOLQUE EJE 1 EJE 2 EJE 1 EJE 2 Tipo de Eje Simple Tandem Simple Tandem Tara (ton) 3,00 7,00 1,05 5,95 Carga (ton) 3,20 12,8 1,80 10,20 Peso por Eje (ton) 6,20 19,8 2,85 16,15 Equivalencia /Eje 0,318 3,146 0,012 1,345 Equivalencia/unidad 3,464 1,357 Equivalencia Total 4,821 c) Cálculo de la Solicitación de Tránsito Con el volumen acumulado de camiones que utilizarán el pavimento durante su vida de diseño (10 años), y con la equivalencia de cada camión, se calculó la solicitación de diseño para la estructura granular con tratamiento asfáltico superficial, encontrándose el valor: Solicitación de Diseño = ( EE ) Cálculo del Indice Estructural Necesario (SIn) De acuerdo a la Figura 3.1 del método de Morin - Todor, para una solicitación de EE, se requiere que la estructura de pavimento tenga un Indice Estructural SI 30,5. Se considera un buen control en la ejecución de la obra,

13 lo cual permite utilizar la curva correspondiente a un coeficiente de variación de las deflexiones C.V. = 15%. SIn = 30,5 (cm) Diseño propuesto Se eligió una solución de pavimento que contempla la construcción de tres capas granulares : un mejoramiento granular de 30 cm de espesor con material 20%, una sub-base de 17 cm de espesor con 40% y una base chancada 100% de 12 cm de espesor; sobre esta última capa se construirá el doble tratamiento asfáltico. El cálculo del Indice Estructural efectivo de la estructura diseñada, se muestra en el Cuadro 5.5. CUADRO 5.5 CÁLCULO DEL INDICE ESTRUCTURAL EFECTIVO AMBITO MATERIAL COEF. EST. ESPESOR ( cm ) SIef ( cm) BASE Base 100 1, ,73 Sub-base 40 0, ,98 SUB-BASE Sub-base 40 0, ,76 Mej. Granular 20 0, ,65 SUB-RASANTE Mej. Granular 20 0, ,85 Subrasante 6,4 0, ,70 INDICE ESTRUCTURAL EFECTIVO 30,64 Como se puede apreciar, la estructura propuesta cumple con las exigencias calculadas con el método de Morín-Todor: El espesor total de material granular ( 58 cm ) es mayor que el mínimo necesario ( 34,2 cm ), establecido en el acápite El Indice Estructural Efectivo (30,64) es mayor que el Indice Estructural Necesario (30,5), establecido en el acápite

14 5.3 VERIFICACIÓN DE ESPESORES UTILIZANDO LA RELACIÓN DEL MÉTODO SHELL Como se señalara anteriormente, se verificó la estructura granular utilizando la expresión, establecida en el Método Shell, que relaciona el módulo que puede alcanzar una capa granular con el de la capa sobre la cual se apoya. La relación del Método Shell tiene por objeto asegurar que la razón entre tensiones de tracción y de compresión en las capas granulares sea tal que no se produzcan descompactaciones, pues si ese fuera el caso, la capacidad portante de la capa y por tanto su, serían menores que el correspondiente a la capa en condiciones óptimas de compactación. Este criterio lo incorpora el Método Shell, a través de la relación : E 2 = k x E 3 k 4 en que se establece que el valor máximo que puede alcanzar el módulo de una capa granular depende del módulo de la capa en que se apoya. A su vez el Método Shell entrega una expresión para el cálculo de k : k = 0,2 x (h mm ) 0,45 (1) de donde se deduce que el módulo que puede alcanzar una capa granular, además de depender del módulo de la capa en que se apoya, es función del espesor de la propia capa granular. En otras palabras, el espesor de la capa granular debe ser tal que partiendo de un módulo igual al de la capa subyacente, vaya aumentando su rigidez hasta alcanzar el valor máximo admisible por el material. Considerando lo expuesto, el espesor de una determinada capa granular debe ser el suficiente para pasar del módulo del suelo hasta un valor que a su vez permita desarrollar a dicha capa toda su potencialidad Valores de los Módulos de acuerdo a la Calidad de los Materiales Para estimar los valores de los Módulos de Resilencia en función del, la Dirección de Vialidad ha establecido el uso de las siguientes expresiones : Mr = 17,6 x 0,64 2% < < 12% Mr = 22,1 x 0,55 12% Con las expresiones citadas, se estimaron los Módulos de Resilencia de las distintas capas que intervienen en el diseño de la estructura de pavimento. En el Cuadro 5.6 que se incluye a continuación, se indican las capas utilizadas con su valor y Mr, correspondientes.

15 CUADRO 5.6 CÁLCULO DE LOS MÓDULOS DE RESILENCIA POTENCIALES, SEGÚN CALIDAD ESPECIFICADA A LOS MATERIALES CAPA (%) Mr (MPa) Suelo de subrasante 6,4 57,7 Mejoramiento granular TM ,8 Sub-base granular TM ,1 Base estabilizada TM 1, , Cálculo de los Valores Máximos del Módulo, que se pueden alcanzar, debido a la rigidez de la capa sobre la cual se apoyan y al espesor de la propia capa granular Considerando que el mejoramiento granular tendrá un espesor de 300 mm, se tiene que el valor máximo que puede alcanzar en su superficie es : Mr mejoramiento = 57,7 x [0,2 x (300 0,45 ) ] = 150,3 (MPa) Dado que el valor encontrado es mayor que el del material 20%, se verifica que el mejoramiento granular especificado podrá desarrollar toda su potencialidad (Mr = 114,8 MPa). De igual forma la sub-base de 160 mm de espesor, al apoyarse sobre el mejoramiento, podrá alcanzar en su superficie un módulo máximo de: Mr sub-base = 114,8 x [0,2 x (160 0,45 ) ] = 225,3 (MPa) Este valor es mayor que el correspondiente al material de sub-base Mr sub-base = 168,1 (MPa), por lo cual los 16 cm de espesor de la sub-base son suficientes. Si usamos la misma verificación para la base chancada, tendremos que en su superficie el valor máximo posible del módulo será: Mr base = 168,1 x [0,2 x (120 0,45 ) ] = 289,9 (MPa) Con lo cual se verifica que el espesor de la base (12 cm) es suficiente para desarrollar la rigidez (Mr base = 278,2 MPa), requerida para servir de apoyo al tratamiento superficial. 5.4 PERFIL ESQUEMÁTICO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO De acuerdo a las consideraciones y cálculos expuestos, la estructura de pavimento para este camino queda constituida según se muestra a continuación, en la Figura 5.1.

16 FIGURA 5.1 ESTRUCTURA DE PAVIMENTO DISEÑADA