EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE

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1 EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE

2 CONTENIDO Exploración de la subrasante Definición del perfil y delimitación de áreas homogéneas Determinación de la resistencia o respuesta de diseño para cada área homogénea

3 EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE La respuesta del suelo de subrasante es el factor más importante en la determinación de los espesores de diseño del pavimento La respuesta de la subrasante ante las cargas del tránsito depende de los tipos de suelo que la constituyen y de la densidad y la humedad de ellos, tanto durante la construcción como durante el servicio

4 EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE La caracterización de los suelos de subrasante comprende las siguientes etapas: Exploración de la subrasante Definición del perfil y delimitación de áreas homogéneas Ejecución de ensayos de resistencia sobre los suelos predominantes Determinación del valor de resistencia o de respuesta de diseño para cada área homogénea

5 EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE

6 EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE Se debe adelantar una investigación a lo largo del alineamiento aprobado, con el fin de identificar la extensión y la condición de los diferentes depósitos de suelos que se encuentren La investigación se realiza mediante perforaciones a intervalos definidos de acuerdo con la variabilidad del terreno, la longitud y la importancia del proyecto y los recursos técnicos y económicos disponibles Las perforaciones deberán alcanzar, cuando menos, 500 mm bajo la cota proyectada de subrasante

7 EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE INTERVALOS ENTRE PERFORACIONES

8 EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE EJECUCIÓN DE PERFORACIONES

9 EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE REGISTRO DEL PERFIL EN EL TERRENO

10 EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE REGISTRO DEL PERFIL Y TOMA DE MUESTRAS

11 EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE Se debe tomar suficiente cantidad de muestra de cada suelo encontrado en las perforaciones para determinar: Humedad natural Límites de consistencia Granulometría Compactación Resistencia o respuesta ante cargas transitorias Igual tratamiento se debe dar a los suelos de préstamo que se colocarán en los rellenos y que influirán en el comportamiento del pavimento

12 EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS Los sistemas de clasificación encuadran los suelos en una determinada tipología a partir de su granulometría y límites de consistencia El sistema más apropiado para clasificar los suelos para estudio de calles y carreteras es el AASHTO Las muestras para clasificación y otros ensayos no se deben tomar al azar, sino de acuerdo con el desarrollo del perfil a lo largo de la vía y la secuencia en que se presenten las diferentes capas de suelo

13 EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS Determinación de granulometría Determinación de los límites de consistencia

14 EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE TABLA DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS DE LA AASHTO

15 EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS

16 DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS SECTORIZACIÓN INICIAL POR TRÁNSITO Inicialmente se sectoriza el tramo en estudio, de acuerdo con los niveles esperados de tránsito a lo largo de él

17 DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS SECTORIZACIÓN COMPLEMENTARIA POR TIPOS DE ROCA O SUELO A partir de las clasificaciones de los suelos de subrasante encontrados en las perforaciones, se elabora un perfil

18 DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS DETERMINACIÓN DE LAS ÁREAS HOMOGÉNEAS DE DISEÑO Se determina la longitud en la cual predomina cada suelo y se delimitan áreas homogéneas para efectos de diseño, teniendo en cuenta el tránsito de proyecto Las secciones escogidas deben ser de suficiente longitud, con el fin de que los diseños resultantes den lugar a una construcción práctica y económica

19 DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS DETERMINACIÓN DE LAS ÁREAS HOMOGÉNEAS DE DISEÑO

20 DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS DETALLE DE LOS SUELOS DE LA UNIDAD 4

21 DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS DETERMINACIÓN DE LAS ÁREAS HOMOGÉNEAS DE DISEÑO Si en un tramo hay gran heterogeneidad en los suelos y no se puede definir uno como predominante, el diseño se basará en el más frecuente de los suelos débiles encontrados Distribución de la clasificación de los suelos de la unidad 4a

22 EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES

23 EJECUCIÓN DE ENSAYOS Los ensayos de resistencia o de respuesta se deben realizar sobre muestras representativas de los suelos predominantes, reproduciendo las condiciones de humedad y densidad que se espera prevalezcan en servicio El ensayo más utilizado es el CBR, el cual es una medida de la resistencia del suelo al esfuerzo cortante bajo condiciones de humedad y densidad controladas, que tiene aplicación en el diseño y en la evaluación de pavimentos asfálticos

24 EJECUCIÓN DE ENSAYOS El soporte de la subrasante se puede expresar, también, en términos del módulo de reacción, obtenido a través de pruebas de placa directa. Este módulo se usa en el diseño de pavimentos rígidos La respuesta del soporte se puede caracterizar también en términos de parámetros elásticos (módulo resiliente y relación de Poisson), los cuales se aplican en los procedimientos empírico mecanísticos de diseño de pavimentos asfálticos

25 EJECUCIÓN DE ENSAYOS ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR) El ensayo más utilizado es el CBR, el cual representa la relación, en porcentaje, entre el esfuerzo requerido para penetrar un pistón cierta profundidad dentro del suelo ensayado y el esfuerzo requerido para penetrar un pistón igual, la misma profundidad, dentro de una muestra patrón de piedra triturada CBR esfuerzo en esfuerzo en el la suelo ensayado (penetración muestra patrón (penetración x) x) *100

26 EJECUCIÓN DE ENSAYOS ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR) Valores de esfuerzo en la muestra patrón La muestra patrón fue elegida y ensayada por O.J. Porter, en California, en 1929, presentando los siguientes esfuerzos requeridos para diferentes profundidades de penetración del pistón: Penetración del pistón Esfuerzo (mm) (pulg.) (MPa) (lb/pg 2 )

27 EJECUCIÓN DE ENSAYOS ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR)

28 EJECUCIÓN DE ENSAYOS ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR) Para cada muestra preparada se dibuja una gráfica relacionando Esfuerzo vs Penetración del pistón:

29 EJECUCIÓN DE ENSAYOS ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR) Para cada muestra elaborada, se calcula su valor de CBR para penetraciones del pistón de 0.1 (2.5 mm) y 0.2 (5.0 mm) con las expresiones : CBR CBR 0.1" 0.2" σ 0.1" * psi σ 0.2" * psi

30 DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO CONDICIONES DE EQUILIBRIO Humedad EJECUCIÓN DE ENSAYOS La resistencia de los suelos, en especial los finos, está directamente relacionada con sus condiciones de humedad y de densidad Se recomienda determinar la resistencia de la subrasante bajo la condición más húmeda que se espere una vez que el pavimento se encuentre en servicio

31 DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO CONDICIONES DE EQUILIBRIO Humedad EJECUCIÓN DE ENSAYOS Compactar suelos finos con humedades bajas para conseguir altas densidades y altas resistencias durante la construcción, no constituye una buena práctica, por cuanto el suelo queda con una estructura que se debilita considerablemente con el humedecimiento, lo que se traduce en pérdidas posteriores de densidad y de resistencia e incrementos en la expansión

32 EJECUCIÓN DE ENSAYOS CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS DE ACUERDO CON LA HUMEDAD PARA LA DETERMINACIÓN DE SU RESISTENCIA

33 EJECUCIÓN DE ENSAYOS DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO CONDICIONES DE EQUILIBRIO Efectos del subdrenaje sobre la humedad de la subrasante Los cambios de humedad de la subrasante por filtración y fluctuaciones del nivel freático pueden ser controlados con la instalación y mantenimiento de dispositivos de subdrenaje Estos dispositivos sólo son efectivos si la humedad del suelo está sujeta a presión de poros positiva

34 EJECUCIÓN DE ENSAYOS DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO CONDICIONES DE EQUILIBRIO Efectos del subdrenaje sobre la humedad de la subrasante Si las filtraciones de agua provenientes de la parte superior son inevitables y abundantes, conviene determinar la resistencia de los suelos en condición saturada cuando correspondan a las categorías 1 y 2 y con la humedad óptima del ensayo normal de compactación (Proctor Standard) cuando correspondan a la categoría 3

35 Densidad EJECUCIÓN DE ENSAYOS DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO CONDICIONES DE EQUILIBRIO La densidad que alcanza la subrasante bajo una superficie impermeable (densidad de equilibrio), es función del tipo de suelo y del entorno ambiental en el cual actúa Existen procedimientos para estimar a priori la densidad de equilibrio En general, resulta suficiente considerar una densidad equivalente al 95% de la máxima del ensayo modificado de compactación (tomar precauciones en el caso de los suelos expansivos)

36 EJECUCIÓN DE ENSAYOS CRITERIO AUSTRALIANO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA EN CONDICIONES DE EQUILIBRIO Factor de corrección (F) por aplicar al CBR sumergido* para estimar el CBR en condiciones de equilibrio in situ Precipitación anual Tipo de suelo ** (mm) IP < 10 IP > 10 < 600 1,0-1,5 1,4-1,8 >600 y <1000 0,6-1,1 1,0-1,4 >1000 0,4-0,9 0,6-1,0 * Cuando el CBR sumergido ha sido usado exitosamente no hay razón para modificar el resultado con el factor F ** Los valores más bajos de cada rango se aplican en situaciones donde se espera que el drenaje sea pobre, el nivel freático elevado, etc. Los valores mayores se aplican en la situación opuesta

37 EJECUCIÓN DE ENSAYOS DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA MEDIANTE ENSAYOS DE CAMPO Generalmente resulta adecuado estudiar la resistencia de la subrasante de pavimentos construidos sobre el mismo suelo en vecindades del proyecto, los cuales hayan estado sometidos a tránsito cuando menos 3 años En estos suelos, el CBR se puede medir directamente mediante el método de campo (Norma de ensayo INV E- 169) o se puede estimar a partir del ensayo del penetrómetro dinámico de cono (PDC)

38 EJECUCIÓN DE ENSAYOS DETERMINACIÓN DEL CBR EN EL CAMPO

39 EJECUCIÓN DE ENSAYOS ENSAYO DEL PENETRÓMETRO DINÁMICO DE CONO Ensayo apropiado para estimar la resistencia de suelos predominantemente finos Mediante esta prueba se mide la rata a la cual penetra en el suelo una varilla con una punta cónica, a medida que es golpeada desde cierta altura con una masa especificada de 8 kg La resistencia a la penetración es la pendiente de la recta Número de golpes vs penetración, denominada número dinámico (ND) y se expresa en mm/golpe

40 EJECUCIÓN DE ENSAYOS ENSAYO DEL PENETRÓMETRO DINÁMICO DE CONO

41 EJECUCIÓN DE ENSAYOS RESULTADO DE UN ENSAYO PDC

42 EJECUCIÓN DE ENSAYOS ENSAYO DEL PENETRÓMETRO DINÁMICO DE CONO La rata de penetración del PDC (Número Dinámico) puede ser relacionada con otros valores de resistencia in-situ, como el CBR

43 PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE 1. Módulo resiliente (M R ) Es un estimativo del módulo elástico, basado en medidas de esfuerzo y deformación a partir de cargas rápidas repetidas, similares a las que experimentan los materiales del pavimento bajo la acción del tránsito No es una medida de la resistencia, pues el material no se lleva a rotura, sino que retorna a su tamaño y forma originales 2.Relación de Poisson (m) EJECUCIÓN DE ENSAYOS Es la relación entre las deformaciones transversales y longitudinales de un espécimen sometido a carga

44 Módulo resiliente (M R ) EJECUCIÓN DE ENSAYOS PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Se determina mediante el ensayo triaxial dinámico:

45 EJECUCIÓN DE ENSAYOS PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Procedimiento para hallar el Módulo Resiliente (M R ) 1. Se coloca una muestra compactada en la cámara triaxial dentro de una membrana 2. Se somete a una presión de confinamiento (s 3 ) 3. Se aplican pulsos repetidos de un esfuerzo axial desviador (s d )

46 EJECUCIÓN DE ENSAYOS PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Procedimiento para hallar el Módulo Resiliente (M R ) 4. Se miden las deformaciones recuperables (DL) que ocurren en una determinada longitud de la probeta (L) 5. Se calcula la deformación axial recuperable (e r = DL/ L) 6. Se determina el módulo resiliente para ese esfuerzo desviador (M R = s d/ e r ) 7. Se repite el procedimiento con otros esfuerzos axiales desviadores

47 EJECUCIÓN DE ENSAYOS Procedimiento para hallar el Módulo Resiliente (M R )

48 EJECUCIÓN DE ENSAYOS PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Módulo resiliente (M R ) Debido al comportamiento mecánico no lineal de los suelos, su caracterización se debe adelantar sobre un rango de humedades y estados de esfuerzos que representen las condiciones esperadas en el terreno

49 PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Módulo resiliente(m R ) El módulo resiliente de los suelos cohesivos decrece con el aumento del esfuerzo desviador y de la humedad del suelo, así como con la disminución de la presión de confinamiento (ablandamiento por esfuerzos) M R = A* s d -B EJECUCIÓN DE ENSAYOS

50 PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Módulo resiliente(m R ) El módulo resiliente de los suelos granulares aumenta con el estado de esfuerzos, debido al aumento de la trabazón entre las partículas individuales (endurecimiento por esfuerzos) y disminuye con el incremento de la humedad del suelo M R = K 1 (I 1 ) K2 I 1 = s 1 + s 2 + s 3 EJECUCIÓN DE ENSAYOS

51 PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Relación de Poisson (m) EJECUCIÓN DE ENSAYOS

52 EJECUCIÓN DE ENSAYOS ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASHTO T 222) Se realiza para obtener el módulo de reacción de la subrasante (k) el cual se usa en el diseño de pavimentos rígidos El valor k fue desarrollado básicamente como una constante de resorte que recibe el soporte bajo la losa de concreto La deflexión de los resortes es proporcional a la presión aplicada, es decir, la presión reactiva para resistir para resistir una carga es proporcional a k y a la deflexión de la losa (D)

53 EJECUCIÓN DE ENSAYOS ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASHTO T 222)

54 EJECUCIÓN DE ENSAYOS ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASTHO T 222)

55 ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASTHO T 222) Determinación del módulo de reacción EJECUCIÓN DE ENSAYOS Se coloca el equipo sobre el suelo por ensayar, se somete la placa a diversas presiones y se miden las deflexiones Se dibuja una curva deflexión vs presión

56 ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASTHO T 222) Determinación del módulo de reacción EJECUCIÓN DE ENSAYOS El valor de k se calcula dividiendo la presión sobre la placa, por la deflexión correspondiente. Hay dos criterios: a) Usar para el cálculo la presión para D= 0.05 pulgadas b) Usar para el cálculo la deflexión para p = 10 psi 16 k pci 10 k pci

57 EJECUCIÓN DE ENSAYOS CORRELACIONES ENTRE DIFERENTES VALORES DE RESPUESTA DE LOS SUELOS No todas las agencias viales están familiarizadas o disponen de equipos modernos para caracterizar los suelos de subrasante y los materiales no ligados del pavimento Es permitido el uso de correlaciones entre diversos indicadores de la resistencia o de la respuesta del suelo La aplicación de estas correlaciones debe ser cuidadosa, por cuanto ellas se basan en un número limitado de datos

58 EJECUCIÓN DE ENSAYOS CORRELACIONES ENTRE DIFERENTES VALORES DE RESPUESTA DE LOS SUELOS

59 EJECUCIÓN DE ENSAYOS CORRELACIONES ENTRE DIFERENTES VALORES DE RESPUESTA DE LOS SUELOS

60 EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA O RESPUESTA DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA

61 RESISTENCIA O RESPUESTA DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Cualquiera sea el método para medir la resistencia o la respuesta del suelo, cada muestra o cada ensayo dará generalmente un resultado diferente Es importante que el valor utilizado para el diseño no sea ni subestimado, por cuanto dará lugar a un mayor costo de construcción del pavimento, ni sobreestimado en un grado tal, que existan riesgos importantes de falla

62 RESISTENCIA O RESPUESTA DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO El número de ensayos por área homogénea depende de la extensión del proyecto: Para vías muy cortas ( 150 metros) son suficientes dos pruebas Para tramos extensos ( 3,000 metros) se recomienda un mínimo de 5 y un máximo de 9 por suelo homogéneo Para tramos de longitud intermedia se aplicará el criterio del diseñador

63 RESISTENCIA O RESPUESTA DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Cuando se tengan menos de 5 resultados, se recomienda tomar el menor valor de resistencia o de respuesta determinado en condiciones de equilibrio Cuando se tengan 5 resultados o más, la elección del valor de diseño del área, dependerá del método de diseño del pavimento que se vaya a emplear: - Si se aplican AASHTO 93 o INVIAS, se tomará el valor promedio - Para otros métodos, se puede emplear el criterio del Instituto del Asfalto

64 RESISTENCIA O RESPUESTA DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO CRITERIO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO N Valor que es igualado o excedido por el X % de resultados Menor o igual a 10 4 X= 60% Entre 10 4 y 10 6 X=75% Mayor o igual a 10 6 X= 87.5%

65 RESISTENCIA O RESPUESTA DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Los valores de diseño de cada área se deben redondear así: CBR (%) Redondear a M R (kg/cm 2 ) Redondear a Menor de Menor de Mayor de Mayor de

66 RESISTENCIA O RESPUESTA DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Ejemplo de aplicación Los resultados de 8 ensayos triaxiales dinámicos produjeron los siguientes módulos resilientes de un suelo de subrasante en un área homogénea: 6,200 9,500 8,800 7,800-13,500 10,000 11,900 y 11,300 lb/pg 2 Determinar el módulo de diseño del área, para valores N de 10 4, 10 5 y 10 6 ejes equivalentes de 80 kn

67 RESISTENCIA O RESPUESTA DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Solución Criterio de AASHTO 93 e INVIAS M R 6,200 7,800 8,800 9,500 10,000 11,300 11,900 13,500 de diseño 8 9,875 psi M R de diseño = 9,875 psi (10,000 psi) para cualquier tránsito de diseño

68 RESISTENCIA O RESPUESTA DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Solución Criterio del Instituto del Asfalto:

69 RESISTENCIA O RESPUESTA DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Solución Criterio del Instituto del Asfalto:

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