PAVIMENTOS Concepto y Tipos de pavimentos Estructura de los pavimentos Diseño de pavimentos Métodos de diseño de pavimentos CBR Módulo Resiliente Métodos y Pruebas de campo
Concepto de Pavimento Estructura conformada por un número de capas (multicapa) Resistir y distribuir a capa de fundación (subrasante) esfuerzos verticales del tráfico Resistir esfuerzos horizontales haciendo más durable superficie de rodamiento Mejorar condiciones de rodamiento en cuanto a comodidad y seguridad
El Pavimento como Estructura Estructura Multicapa: diferentes capas de materiales con propiedades mecánicas diferentes Estructura en faja: ancho y alto "finito"; largo "infinito" Cargas de tránsito: magnitud e intensidad variables; previsión de evolución y vida útil aproximada Efectos intempéricos: afectan integridad del pavimento por degradación de capas Falla de pavimento: Fatiga causada por efecto de cargas de tránsito (cargas cíclicas) e intemperismo Vida útil pequeña
Tipos de Pavimentos según solicitaciones Pavimento Autoviario Pavimento Aeroportuario Pavimento Ferroviario
Tipos de Pavimentos según estructura Pavimentos Autoviarios y Aeroportuarios Flexibles: revestimiento bituminoso (mezcla asfáltica) Rígido: revestimiento de hormigón (losas) Pavimento Flexible Revestimiento bituminoso Pavimento Rígido Carpeta de hormigón Base Sub-base Sub-base Subrasante Subrasante
Estructura de Pavimento Flexible Carpeta Asfáltica Base Sub-base
Función Estructural de cada Capa Revestimiento: Recibe directamente cargas de tránsito. Resiste esfuerzos rasantes (horizontales) y proporciona superficie de rodamiento adecuada Base: Resiste y distribuye esfuerzos normales (verticales) Sub-base: Complementaria de Base (por economía) o Correctiva de Subrasante (transición) Subrasante: Capa de fundación de estructura. Resiste esfuerzos normales sin grandes deformaciones
Métodos de Diseño de Pavimentos Empíricos: Basados en parámetros que correlacionan propiedades físicas de materiales Índice Soporte de California (CBR) Coeficiente de Balasto Mecanísticos: Basados en análisis de comportamiento mecánico de materiales Teoría de Elasticidad (Boussinesq, Burmister) Módulos Elásticos
Índice Soporte de California (CBR) Porter (1929) Medida de la capacidad soporte de materiales granulares, denominada Índice Soporte de California (California Bearing Ratio, CBR) Ensayo que mide: Resistencia a penetración por punzonado de vástago en muestra de material compactado en molde rígido Expansión Pistón de carga suelo carga comparador molde
CBR Relación entre tensión necesaria para penetrar 0,1 in (0,25 cm) un material dado y tensión necesaria para la misma penetración en un material arbitrario, adoptado como patrón CBR(%) 0,1" muestra 0,1" patrón 100 Material Patrón: Piedra triturada de California de la que se conoce tensiones necesarias para producir penetraciones preestablecidas
Tensión Penetración del Vástago para Muestra Patrón Penetración Tensión aplicada cm pulgadas kg/cm 2 lb/pulg 2 0,25 0,1 70,3 1000 0,50 0,2 105,5 1500 0,75 0,3 133,6 1900 1,00 0,4 161,7 2300 1,25 0,5 182,0 2600
Tensión Penetración del Vástago para Muestra Patrón Tensión (kg/cm 2 ) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 70,3 105,5 133,6 161,7 182,0 0,0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 0,4 0,5 0,5 Muestra Patrón Penetración (in) Muestra Ensayada CBR(%) 70,3 100 0,1" muestra 0,1" muestra 0,703
Ensayo de CBR ASTM D1883; AASHTO T193 3 probetas compactadas con diferentes energías, en moldes de 6 in, a humedad óptima de Ensayo Proctor 12 golpes por capa 25 golpes por capa 56 golpes por capa (PUSM) Probetas se sumergen en agua 4 días con sobrecarga ( saturación de muestras ) Se mide expansión en 4 días Probetas saturadas se cargan por punzonado en prensa Vástago de 3 in 2 (19,4 cm 2 ) Velocidad de penetración 0,05 in/min (0,127 cm/min)
Ensayo CBR Curva Tensión - Penetración Tensión (kg/cm 2 ) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 0,350 0,400 0,450 0,500 Penetración (in) 12 Golpes 25 Golpes 56 Golpes Se compara CBR 0,1" y CBR 0,2" adoptándose valor mayor
Ensayo CBR Curva CBR PUS y CBR Humedad de Compactación
Ensayo CBR Curva CBR PUS PUSM CBR (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 17,5 18,0 18,5 19,0 19,5 20,0 20,5 PUS (kn/m 3 )
Crítica del Ensayo CBR Condición saturada: Se da en materiales granulares (arenas y gravas) No se da en materiales finos (arcillas y limos) Condición del ensayo: Drenado para materiales granulares No drenado para materiales finos Se comparan materiales ensayados en condiciones diferentes
Crítica del Ensayo CBR Carece de significado físico No es medida directa de capacidad soporte de materiales (Porter, 1950) Es un ensayo de corte, siendo indicador de resistencia al corte de suelos (Turnbull, 1950) Debe ser considerado como ensayo indicativo de resistencia al corte... principios de diseño de pavimentos están basados en prevención de falla al corte de subrasantes de pavimentos (Simposio de la ASCE, 1950)
Crítica del Ensayo CBR Compactación en laboratorio Compactación en campo (estructuras distintas) Aplicación de carga en laboratorio (estático) Aplicación de carga real (tránsito) respuestas mecánicas diferentes Parámetro de diseño de pavimentos sencillo y rápido pero que conduce a estructuras sobredimensionadas
Parámetros Mecanísticos de Diseño de Pavimentos Módulo Tangente Comportamiento no lineal de suelos y materiales granulares Módulo Secante Módulos de deformabilidad a (%) Variables en función de nivel de y Para nivel de muy bajo módulo tangencial módulo secante Menor nivel de mayor rigidez
Módulo Resiliente Carga de tránsito Tensiones bajas Deformaciones bajas Tiempo de aplicación de carga casi instantáneo Carga de intensidad gradual y de aplicación cíclica Módulo de deformabilidad recuperable representa adecuadamente comportamiento de materiales de pavimentos Módulo Resiliente (Hveem, 1955) Resiliente X Elástico para diferenciar En realidad Resiliencia es energía potencial de deformación (similar a resorte)
Determinación del Módulo Resiliente Simular cargas de tránsito Ensayo de carga repetida (cíclico) Carga de compresión aplicada en mismo sentido Intensidad de carga gradualmente variable 0 q máx 0 Tiempo de aplicación de carga pequeño (fracción de segundos) Reproducción de condiciones reales Amplitud = Carga de vehículo (rueda) Tiempo de pulso = Velocidad de vehículo Frecuencia de aplicación = Volumen de tránsito
Determinación del Módulo Resiliente q r h h 0 t r p p r r: Deformación recuperable (Resiliente) p: Deformación permanente (Plástica) q: Tensión desviadora ( h: Deformación vertical máxima h 0 : Altura inicial de probeta M R q Módulo Resiliente r
Ensayos de cargas cíclicas Triaxial cíclico (Seed et al., 1955) (AASHTO T274-82) Presión de cámara ( 3 ): agua o aire Tensión desviadora ( d ): cíclica Compresión diametral cíclica (Schmidt, 1972)
Ensayos de Campo Parámetros empíricos CBR in situ (ASTM D4429) Prueba de Carga de Placa Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP) Parámetros mecanísticos (deflexiones) Viga Benkelman Deflectógrafo de Lacroix Deflectómetro de Caída de Pesa (FWD)
Prueba de Carga de Placa (McLeod, 1948) Módulo de reacción de subrasante (k): : tensión que transmite placa al suelo : deformación fijada previamente k
Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP) Espesor de capas, peso específico, resistencia a la penetración 1935 mm Mango de agarre Masa de 8 Kg 575 mm 3 mm 20 mm Pesa de 8 kg Caída libre de 575 mm Índice de Penetración (IP) Regla de medida Tope Cono Punta endurecida a 60º IP N : Penetración del cono N: Número de golpes
Viga Benkelman (Benkelman, 1953) Deflexión por recuperación elástica Camión con 8,2 ton (80 kn) en eje trasero y 80 psi (550 kpa) de presión de inflado de ruedas
Viga Benkelman
Deflectógrafo de Lacroix (LCPC) Deflexión máxima por carga transmitida por dos pares de ruedas Medidas automáticas por palpadores colocados en trineos Medidas casi continuas
Falling Weight Deflectometer (FWD) (Sorensen & Hayven, 1982) Deflexión por carga de impacto producida por pesos que caen sobre placa apoyada en pavimento Medidas automáticas por sensores de velocidad Simula carga de tránsito a velocidad de 70 80 km/h