Trabajo Práctico Nº 3 Conceptos básicos para diseño de pavimentos. Pavimentos flexibles Pavimentos rígidos

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1 Trabajo Práctico Nº 3 Conceptos básicos para diseño de pavimentos Pavimentos flexibles Pavimentos rígidos OBJETIVOS Los pavimentos sirven fines estructurales, funcionales y de seguridad. ESTRUCTURAL: el pavimento sirve a distribuir las cargas bajo las ruedas de los vehículos sobre áreas suficientemente amplias como para evitar tensiones (superiores a su capacidad) en la capa inferior del pavimento. La carga de la rueda sobre la superficie del pavimento se aplica en un área muy reducida, causando grandes tensiones. Sin embargo estas tensiones van disminuyendo con la profundidad: el nivel de tensiones disminuye desde la capa superior a la inferior en las estructuras de pavimentos. Distribución del peso de la rueda desde el punto de contacto hasta la última capa de suelo. Fuente: Trasportation Engineering and Planning 3*Edition, Papacostas and Prevedouros 2 1

2 OBJETIVOS Funcional: la estructura del pavimento está relacionada con los requisitos del usuario de un andar suave y confortable. La calidad de manejo se mide en términos de Indice de Serviciabilidad Presente (PSI), concepto desarrollado por la American Association of State Highway Officials (AASHTO). PSI se mide principalmente según la rugosidad del terreno referida a los deterioros producidos por el uso y edad de los pavimentos y es uno de los criterios utilizados para la toma de decisiones respecto al mantenimiento, rehabilitación y reconstrucción de pavimentos. Los típicos deterioros de los pavimentos son: fisuras longitudinales y/o transversales, roturas, bacheos y ahuellamientos que afectan la integridad estructural de los pavimentos y el nivel de servicio. Seguridad: relacionada con el desarrollo de la resistencia friccional y la interacción pavimento-rueda. La fricción se asegura con la elección de los materiales y diversos tratamientos superficiales (por ejemplo texturizado). Otra característica relacionada con la seguridad es la reflectividad de la superficie del pavimento. 3 Rugosimetro BPR (Bureau of Public Road EEUU) 4 2

3 Péndulo de fricción 5 Suelos: definiciones básicas Nos interesa estudiar: Caracteristicas mecánicas de los suelos (granulometría) Características físicas de los suelos (Límites de Atterberg) Recordar que: Densidad de suelo seco: Dss = Peso del suelo seco / Volumen total Humedad de un suelo: H(%) = (Peso de Agua / Peso de Suelo Seco) x 100 Límite Líquido (LL): Máxima H(%) para que el suelo no fluya y sea trabajable. Límite Plástico (LP): Mínima H(%) para que el suelo no se resquebraje y sea trabajable. Índice de Plasticidad: IP = LL LP Suelo expansivo (IP > 10): presenta grandes cambios de volumen al variar H(%). 6 3

4 Suelos: definiciones básicas Materiales Granulares Canto Rodado: Retenido en tamiz 3. Grava: Pasa tamiz 3 / Retenido por tamiz 10. Arena Gruesa: Pasa tamiz 10 / Retenido por tamiz 40. Arena Fina: Pasa tamiz 40 / Retenido por tamiz 200. Materiales Cohesivos Pasan tamiz Limo : IP < Arcilla: IP > Suelos: definiciones básicas Granulometría 8 4

5 Límites Atterberg INTRODUCCIÓN: El agua afecta significativamente el comportamiento de las partículas finas de los suelos viales Diferentes partículas finas de los suelos se comportan de formas distintas frente a la acción del agua Cómo puedo categorizar los suelos a partir de sus partículas finas? 9 Límites Atterberg Límite Plástico Límite Plástico: Se realiza con la porción de suelo que pasa el tamiz de mm (#Nº40) Se define como el más bajo contenido de humedad con el que al ser moldeado en barritas cilíndricas de menor diámetro cada vez, comienza a agrietarse cuando las barritas alcanzan a tener 3mm de diámetro 10 5

6 Límites Atterberg Límite Plástico 11 Límites Atterberg Límite Plástico 12 6

7 Límites Atterberg Límite Líquido Límite Líquido: Es la menor humedad a partir de la cual el suelo se comporta como un líquido Se realiza con la porción de suelo que pasa el tamiz de mm (#Nº40) Se define como el más bajo contenido de humedad necesario para que las dos mitades de una pasta de suelo de 1cm de espesor fluyan y se unan en una longitud de 12mm en el fondo de la muesca que separa las dos mitades cuando la cápsula que la contiene golpea 25 veces desde una altura de 1cm y a la velocidad de 2 golpes por segundo 13 Límites Atterberg Límite Líquido 14 7

8 Límites Atterberg Límite Líquido 15 Límites Atterberg Límite Líquido 16 8

9 Límites Atterberg Límite de Contracción Límite de Contracción: Es la humedad para la cual el suelo no se contrae cuando la humedad baja de ese límite, y se expande cuando la humedad aumenta sobre ese límite. Se realiza con la porción de suelo que pasa el tamiz de mm (#Nº40) 17 Límites Atterberg Representación Grafica V O L U M E N LP 45º LL LC HUMEDAD 18 9

10 Sistemas de Clasificación de Suelos Existen varios sistemas de clasificación de suelos Los sistemas más comunes de clasificación son : Unified Soil Classification System (USCS) Highway Research Board (HRB) El sistema de clasificación HRB es el más comúnmente empleado para suelos de uso vial 19 Clasificación de Suelos HRB Desarrollado para la industria de la construcción de caminos Fundamentado en la observación de la estabilidad de diferentes suelos bajo pavimentos de rutas y autopistas Posee siete grupos principales de suelos, A-1 a A-7 Agrupados por granulometría, límite líquido e índice de plasticidad 20 10

11 Clasificación de Suelos HRB Clasificación General Grupo de Clasificación Sentido de disminución de la calidad de los suelos como subrasante Materiales Limo-Arcillosos (más del 35% pasa #Nº mm-) A-7 A-7-5 A-4 A-5 A-6 A-7-6 P#Nº10 (2.00 mm) 50 max P#Nº40 (0.425 mm) 30 max 50 max 51 max P#Nº200 (0.075 mm) 15 max 25 max 10 max 35 max 35 max 35 max 35 max 36 min 36 min 36 min 36 min Límite Líquido max 41 min 40 max 41 min 40 max 41 min 40 max 41 min Índice de Plasticidad 6 max S/P 10 max 10 max 11 min 11 min 10 max 10 max 11 min 11 min (2) Constitutivos Significantes Comportamiento general como subrasante A-1 Frag. de piedra, grava, y arena Materiales Granulares (35% o menos pasa #Nº mm-) A-1-a A-1-b A-3 (1) A-2-4 A-2-5 A-2-6 A-2-7 Arena fina Análisis granulométrico Características de la fracción que pasa #Nº40 Características generales Excelente a bueno Grava y arena limosa o arcillosa Limos Arcillas Regular a malo (1) La ubicación de A-3 antes que A-2 es necesaria para el proceso de clasificación izquierda a derecha y no indica superioridad de A-3 sobre A-2 (2) El IP del Sug-Grupo A-7-5 es menor o igual que LL-30, y el IP del Sug-Grupo A-7-6 es mayor que LL-30 A-2 21 Clasificación de Suelos HRB A-1 a A-3: Excelente a buen material para subrasante A-1: máxima estabilidad, menos del 50% pasa #Nº40, menos del 25% pasa #Nº200 A-2: menos del 35% pasa #Nº200 A-3: arena fina A-4 to A-7: Regular a pobre material para subrasante Más del 36% pasa #Nº200 Separación por límite líquido e índice plástico 22 11

12 Clasificación de Suelos HRB DIAGRAMA PARA DIFERENCIAR GRUPOS DE SUELOS EN FUNCIÓN DE LOS LÍMITES ATTERBERG Índice de Plasticidad A-6 A-2-6 A-4 A-7-6 A-7-5 A-2-7 A-5 IP = LL - 30 A-2-4 A Límite Líquido 23 Clasificación de Suelos HRB Índice de Grupo (IG): Se utiliza para evaluar y comparar suelos de la misma clasificación IG = (F-35)[ (LL-40)]+(F-15)(IP-10), F = % pasa #Nº200 (0.075mm) LL = Límite Líquido IP = Índice de Plasticidad Se determina para los suelos finos y los sub-grupos A-2-6 y A-2-7 de los suelos granulares. Para estos sub-grupos sólo se aplica el tercer término de la ecuación IG >= 0, si la ecuación da un valor negativo se adopta cero como IG 24 12

13 COMPACTACIÓN DEL SUELO DENSIDAD (kg/m3) ENERGÍA DE COMPACTACIÓN HUMEDAD % 25 Densidad Proctor Dmax Dss A Hidratación Lubricación HinchamientoSaturación Hop H 26 13

14 Relación entre Tensión y Deformación Ensayos Empíricos: CBR (California Bearing Ratio, AASHTO T-193) o VSR (Valor Soporte Relativo, VN E-6). k (Módulo de Reacción de la Subrasante, AASHTO T-222) Racionales: Ensayo triaxial Módulo Resiliente (AASHTO T-294) 27 California Bearing Ratio (CBR) Definición INTRODUCCIÓN: El CBR de un suelo es la relación, en %, entre el esfuerzo necesario para penetrar un pistón de dimensiones dadas a una velocidad prefijada hasta una profundidad determinada en la muestra del suelo analizado, y la presión correspondiente para la misma penetración en una muestra patrón con características ideales El CBR o valor soporte relativo de los suelos establece, en forma indirecta, una medida de resistencia al corte 28 14

15 CBR Condiciones de Ensayo El valor soporte relativo de un suelo dependederá: Características fisico químicas del mismo, Densidad seca, Forma de compactación, Humedad con la que fue compactado, Humedad al momento del ensayo de CBR Sobrecarga aplicada al momento del ensayo de CBR 29 CBR Condiciones de Ensayo Humedad de compactación: Pequeñas variaciones en el contenido de humedad de compactación afectan significativamente el CBR Sobrecarga: incrementa el CBR de los suelos friccionales y disminuye el hinchamiento de los suelos cohesivos Humedad de ensayo: el ensayar el suelo en condiciones de embebimiento equivale a proyectar en las más desfavorables condiciones a que puede llegar un pavimento 30 15

16 CBR Ensayo IN SITU 31 CBR Ensayo Dinámico Compactación Simplificado (3 probetas compactadas) Completo (15 probetas compactadas) Este ejemplo corresponde a un material friccional con Hop baja 32 16

17 CBR Ensayo de Penetración 33 CBR Ensayo de Penetración 34 17

18 CBR Ensayo Dinámico Completo - Resultados (+) (+) (+) (+) Hinchamiento Humedad (+) VSR (+) 35 CBR Ensayo Dinámico Simplificado - Resultados 36 18

19 CBR Correlación y Valores Orientativos Resistencia [kg/cm 2 ] 100 * CBR (para suelos finos cohesivos) Hinchamiento <= 2% no presenta potenciales problemas Valores orientativos de CBR o VSR según la función del material en el paquete estructural: Base: CBR >= 80% Subbase: : CBR >= 40% Subrasante buena: : CBR 8% Subrasante regular a pobre: : CBR entre 5% y 1% 37 Módulo de Reacción de la Subrasante (k) INTRODUCCIÓN: El módulo de reacción de la subrasante (k)( ) de un suelo se define como la relación entre el presión aplicada mediante un plato o disco, de sección dada, a la subrasante y la penetración o deflexión resultante (AASHTO T-222 T y ASTM D-D 1195) El k mide la resistencia (o capacidad soporte) del material de subrasante a ser comprimido bajo la acción de las cargas transmitidas al suelo 38 19

20 k Ensayo del plato de carga - Esquema 39 k Consideraciones sobre su determinación Para su determinación debe aplicarse una presión con el plato de carga similar a la que le transmitirá el pavimento en servicio: En general se aplican 10psi (0.7kg/cm 2 ) El valor k depende además del diámetro del plato: La deflexión generalmente aumenta cuando el tamaño del plato disminuye (para presión cte) Para pavimentos rígidos se adopta un diámetro de 30 (76cm) 40 20

21 k Aplicación en la teoría de Westergaard Para la correspondencia de los resultados en pavimentos rígidos con la teoría desarrollada por Westergaard el valor k determinado con el ensayo del plato debe ser establecido para una deflexión de 0.05 (1.25mm) 41 k Correlación con CBR 42 21

22 TIPOS DE PAVIMENTO: PAVIMENTO FLEXIBLE PAVIMENTO FLEXIBLE: la totalidad de la estructura interviene en la distribución de las cargas. Dicha distribución depende de la trabazón entre agregados, la fricción entre partículas y cohesión (estabilidad). La calidad de la subrasante se mide en términos de módulo resiliente (CBR). 43 TIPOS DE PAVIMENTO: PAVIMENTO RIGIDO PAVIMENTOS RÍGIDOS: las cargas son absorbidas por la losa de hormigón, las capas inferiores deben servir de apoyo. La subrasante se mide en términos de módulo de reacción de la subrasante (kg/cm3) Juntas de contracción y alabeo: hendidura 4.5 cm cada 5 m. Juntas longitudinales: barras de unión de acero conformado Junta transversal: pasador de acero liso mitad engrasado Junta de expansión 44 22

23 PAVIMENTOS RIGIDOS: Tipos de juntas 45 PAVIMENTOS RIGIDOS: Tipos de juntas 46 23

24 PAVIMENTOS RIGIDOS: Distribución de juntas 47 COMPARACIÓN Características Costo inicial Mantenimiento Comodo Rugosidad Duración Distrib. De cargas Flexible Menos Mas, mas Mas Mas Menos Areas pequeñas Rigido Mas Menos Menos Mas Mas Areas grandes

25 DISEÑO DE PAVIMENTOS El diseño de pavimentos incluye: Elección del tipo de pavimento (flexible, rígido y compuesto) Diseño de la estructura (bases, subbases, dosificación de agregados) Selección de las capas de suelo dentro de la estructura Diseño de los espesores de las distintas capas Los factores que determinan el diseño del pavimento son: La carga de tráfico Los suelos y los materiales El entorno Confianza 49 DISEÑO DE PAVIMENTOS CARGA DE TRAFICO Es el factor más importante para el diseño de pavimentos puesto que determina el espesor del mismo. Depende del peso de los ejes, el volumen y la composición del tráfico y la presión de los neumáticos. El cálculo de la carga del tráfico varía según los métodos utilizados. El método AASHTO utiliza ejes equivalentes de 18 kips ESALs (Equivalent single axe load) todo el tráfico es trasformado a cargas de eje simple de lb. Otros métodos utilizan el TMDA y el porcentaje de vehículos pesados

26 DISEÑO DE PAVIMENTOS SUELOS Suelos débiles o inestables pueden requerir algún tipo de tratamiento para mejorarlo. La propiedad más importante de los suelos es el módulo resiliente que representa su capacidad de recuperación de deformación a una determinada carga. ENTORNO Lluvias, humedad y temperatura. Procesos de congelamiento y deshielo. CONFIANZA 80% a 99% para la mayoría de los casos. 51 MÉTODOS DE DISEÑO Existen dos grandes clasificaciones de métodos de diseño: Método tradicional experimental/estadístico de AASHTO. Basado en datos reales y relevados continuamente de las carreteras de los Estados Unidos. El modelo es una modelización estadística según el comportamiento de una gran cantidad de tipos de pavimento. Método mecanisistico/empírico del Asphalt Institute y la Portland Cement Association. Basado en modelizaciones teóricas del comportamiento del pavimento: el pavimento se lo asemeja a un estrato multicapa de comportamiento elástico en una fundación elástica. El método es calibrado con experiencias

27 GESTIÓN DE PAVIMENTOS Un sistema de gestión de pavimentos coordina distintas actividades asociadas al diseño, planeamiento, construcción, mantenimiento, investigación y evaluación de pavimentos. Los sistemas se estructuran alrededor de tres etapas: 1. Relevamiento sistemático de las condiciones (estructurales, superficiales, etc.) de los pavimentos. 2. Diagnóstico: ordenamiento de prioridades, estudio de alternativas 3. Implementación de alternativas 53 GESTIÓN DE PAVIMENTOS EJEMPLO: AUSCULTACIÓN DE PAVIMENTOS La campaña de auscultación deflectométrica se realiza con un deflectómetro por impacto tipo Falling Weight Deflectometer (FWD). Consiste en la aplicación de cargas en la superficie del pavimento, midiendo la respuesta estructural del mismo en términos de deflexiones superficiales. El equipo FWD aplica en la superficie del pavimento una carga dinámica en forma de impulso similar, tanto en duración como en magnitud, a la producida por los vehículos las aeronaves más pesadas que operan en el aeropuerto. El equipo utiliza sensores (geófonos), los cuales efectúan las determinaciones de deflexiones producidas por la carga. Los mismos se distribuyen a 0, 30, 60, 90, 120,150 y 180 cm del centro del plato de carga, tal como fue solicitado. La carga aplicada, puede variar, por ejemplo entre kg hasta kg, distribuida en un plato de carga de 0.30 m de diámetro. El objetivo principal de las mediciones efectuadas es estudiar el estado del pavimento y los parámetros estructurales del mismo en las diferentes secciones. La transferencia de carga entre losas adyacentes constituye un importante parámetro en la evaluación estructural de pavimentos de hormigón, ya que las juntas corresponden generalmente a las áreas de mayor deterioro observado en las losas. Otro aspecto importante es la evaluación de la eficiencia de juntas en pavimentos de hormigón (no sólo de la eficiencia de la transferencia de carga en términos de deflexión sino también en términos de tensiones) 54 27

28 Pavimentos rigidos Los pavimentos rígidos son aquellos en los que la capa superior del pavimento está compuesta por hormigón. La caracteristica más notable del pavimento rígido es su resistencia a compresión, muy superior a la de tracción. Para soportar esfuerzos de tracción se les colocan barras o se los pretensan. 55 Función de las subbases Pavimentos Rígidos Solicitan la subrasante con bajas tensiones Porqué puede ser necesaria la interposición de una subbase 56 28

29 Función de las subbases Subbases Soporte uniforme y estable 1) Previenen contracciones e hinchamientos excesivos de los suelos caracterizados por altos cambios volumétricos 2) Colaboran en el control de levantamientos diferenciales o excesivos por acción de heladas 3) Previenen el fenómeno denominado bombeo de los suelos finos 57 Función de las subbases Bombeo Definición: eyección forzada de una mezcla de suelos finos y agua a través de las juntas. Causas: Subrasante con suelo susceptible de entrar en suspensión Agua libre entre el pavimento y la subrasante Pasaje frecuente de cargas pesadas 58 29

30 Función de las subbases 3) Previenen el fenómeno denominado bombeo de los suelos finos El bombeo puede ser evitado interponiendo, entre el pavimento y la subrasante, materiales no susceptibles a este fenomeno (ejecución de una subbase) 59 Función de las subbases La principal razón para la ejecución de subbases es prevenir el bombeo, para lo cual alcanza con espesores mínimos constructivos (10cm - 15cm) No se justifica económicamente ejecutar subbases con el objetivo de aumentar la capacidad portante de las capas inferiores de la losa de hormigón 60 30