6. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO DE LA · PDF fileEn la Figura 6-4 se presenta la estructura con la cual se realizó el diseño de los pavimentos flexibles y rígidos en laEstación

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6. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO DELA ESTACION INTERMEDIA DE LA CALLE 100 Y

PORTAL PATIO CALLE 170

En este capítulo se presentan las estructuras resultantes del diseño de pavimento para laEstación Intermedia de la Calle 100 Y el Portal - Patio de la Calle 170. Los diseños deestas estructuras se realizaron mediante los siguientes métodos: para pavimentos rígidosse utilizó el método de la PCA y para los pavimentos flexibles se utilizó el método de laShell realizando comprobaciones con la metodología AASHTO. Para el diseño de lasestructuras con capa de rodadura en adoquines se utilizó el método británico y racional.

6.1 PARAMETROS DE DISEÑO

A continuación se presenta un resumen de los parámetros de diseño de las estructuras delos pavimentos para la Estación Intermedia de la Calle 100 Y para el Portal - Patio de laCalle 170 teniendo en cuenta el volumen de parámetros de diseño realizado por esteConsorcio.

6.1.1 Estación Intermedia de la Calle 100.

Con base en el diseño arquitectónico realizado por este Consorcio se presenta en laFigura 6-1 un esquema de las vías que hacen parte de la Estación Intermedia de la Calle100. En la misma figura se observa que existen dos vías, así:

Circuito en el interior de la Estación Intermedia por donde transitarán los busesalimentadores.

Av. perimetral a la Estación Intermedia por donde transitarán los vehículos de lacalzada mixta que de la Carrera 7 se dirigen hacia el occidente por la Calle 100.

El diseño de estas estructuras se realizó en pavimento rígido y en pavimento flexible ypara la estructura de la vía por donde transitarán los buses se diseñará con mezclaasfáltica de alto módulo debido a las características del tránsito.

En el volumen de Caracterización Geotécnica Final, se describen las características delos materiales de la zona, en donde se encontró que existe un material con alto contenidode materia orgánica y una humedad alta clasificándose este como una turba que va desde0,50 m hasta 3,50 m de profundidad. Se recomienda que este material sea extraído yreemplazado por un material liviano como la mezcla de ceniza y cal para evitar fallas enlas estructuras de los pavimentos que allí se construirán (Ver Figura 6-2).

CONSORCIO TRONCAL CARRERA 7ESTUDIOS Y DISEÑOS TRONCAL CARRERA SÉPTIMATK7-G11-9

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Sin escala

Figura 6-1. Esquema de las vías que hacen parte de la Estación Intermedia de la Calle100.

Límite aproximadodel lente de turba

Figura 6-2. Zona de la Estación Intermedia de la Calle 100 en donde se encontró Turba.



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Para realizar el diseño de las estructuras en pavimento flexible de la Estación Intermediade la Calle 100, se determinaron 64,75 millones de ejes equivalentes de 8,2 ton y lacantidad total de ejes por tipo de eje y peso de eje requeridos para realizar el diseño porel método de la PCA 1984. Para pavimentos rígidos se utilizaron 13.245.120 para ejessimples de 6,0 ton y 13.245.120 para ejes simples de 11,0 ton.

La estructura de pavimento que hace parte de la vía perimetral a la Estación Intermediade la Calle 100 se diseñó con 19.39 millones de ejes equivalentes de 8,2 ton y la cantidadtotal de ejes por tipo y peso de eje requerido para realizar el diseño por el método de laPCA 1984 para pavimentos rígidos se presenta en el Cuadro 6-1.

Cuadro 6-1. Cantidad de ejes por tipo y peso de eje para la vía perimetral a la EstaciónIntermedia de la Calle 100.

1.163.711,30 15.251.620,00 11.163.711,0014.909.980,00 341.640,00 0,00

5 (Ion) 1 6 (Ion) 1 9 (Ion) 1 11 (Ion) 22 (Ion) 24 (Ion)

,1+'CANTlD~ TOTAL,pE EJES - Vía péflmeW'1 a la Estación lntérmedia,Calle 100 ,ll"i;SIMPLE TANDEM TRIDEM

Las características mecánicas de los materiales de subrasante a tener en cuenta para eldiseño de las estructuras de los pavimentos son las siguientes:

CBR(subrasante)zona de la Estación Intermedia = 0,70 %CBR(subrasante)vía perimetral a la Estación Intermedia = 0,75 %

Los materiales granulares existentes en la zona no cumplen con la normatividad paradesarrollarse como base o subbase granular por lo tanto se colocarán materialesgranulares nuevos. Adicionalmente, los materiales orgánicos presentes en la zona (VerFigura 6-2) deben ser extraídos en su totalidad y reemplazados por material deconformación de sub rasante.

Los demás parámetros de diseño que se tendrán en cuenta para el diseño de lasestructuras tanto para pavimentos flexibles como para pavimentos rígidos se presentan enel Figura 6-2.

6.1.2 Portal - Patio de la Calle 170.

Con base en el diseño arquitectónico realizado por este Consorcio se presenta en laFigura 6-3 un esquema de las vías que hacen parte del Portal - Patio de la Calle 170. Enla misma figura se observa que existen dos zonas, así:

Portal: Zona a la cual llegan los buses articulados y alimentadores en dondecargan y descargan pasajeros.

Patio. Zona en la cual se estacionan y hacen mantenimiento a los busesarticulados.



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Cuadro 6-2. Parámetros de diseño para pavimentos flexibles y rígidos.

Figura 6-3. Portal - Patio de la Calle 170.



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La carga de tránsito con la cual se realizó el diseño de la estructuras tanto para pavimentoflexible como para pavimento rígido se presenta en el Cuadro 6-3 y Cuadro 6-4 según elvolumen de Definición de Parámetros de Diseño presentado por este Consorcio.

Cuadro 6-3. Carga de diseño en ejes equivalentes de 8.2 toneladas - Portal-Patio de laCalle 170.

20 añosNESE;;(millones deejesde'8,2 ton}

Zona

Portal 163.89--~_.._._.__ ._- . ._- ----_ .."'.- .._-----------_._-_._-",'--'.

Patio 4.09

Cuadro 6-4. Cantidad total de ejes en el Portal-Patio de la Calle 170.

",L/S ; L¡¡" ;H'i ¡;CantiCJad totJil 'de ejes; ;p; ;)H ,¡,'@,

Tipo de ejePeso Portal Patio(ton)

6 6.921.495 O

5.1 8.830.080 1.533.730Simple

11 6.921.495 O

8.5 17.660.160 3.067.460

Las características mecánicas de los materiales de sub rasante a tener en cuenta para eldiseño de las estructuras de los pavimentos son las siguientes:

CBR(subrasante)zona del Patio = 0,50 %CBR(subrasante)zona del Portal = 0,69 %

En la zona del Portal-Patio no se encontraron materiales granulares, razón por la cual secolocarán materiales granulares nuevos.

Los demás parámetros de diseño que se tendrán en cuenta para el diseño de lasestructuras tanto para pavimentos flexibles como para pavimentos rígidos son los mismospresentados en el Cuadro 6-2.

Como alternativa de diseño de estas estructuras se realizó en adoquines debido a que elsuelo de fundación presenta resistencias bajas y alta compresibilidad por la presencia dearcillas orgánicas, limos y arcillas muy blandas en espesores de 10 m a 20 m. Otraalternativa de diseño estudiada para esta zona es en pavimento flexible, que para la zonadel portal se utilizó mezcla asfáltica de alto módulo debido a las características deltránsito.



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6.2 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO

Teniendo en cuenta los criterios de diseño presentados en el numeral 3.2 de este informey los parámetros de diseño de cada zona, se presenta a continuación eldimensionamiento de las estructuras de los pavimentos tanto flexibles como rígidos parala estación Intermedia de la Calle 100 Y el Portal-Patio de la Calle 170.

6.2.1 Estación Intermedia de la Calle 100

Las alternativas de diseño que se presentan a continuación para estas estructuras son enpavimento rígido y en pavimento flexible teniendo en cuenta que la estructura de la vía pordonde transitarán los buses alimentadores (Estación Intermedia) se diseñó con mezclaasfáltica de alto módulo debido a las características del tránsito.

En la Figura 6-4 se presenta la estructura con la cual se realizó el diseño de lospavimentos flexibles y rígidos en la Estación Intermedia de la Calle 100.

1.11

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BASE GRANULAR + CEMENTO

Figura 6-4. Esquema de la estructura de los pavimentos flexibles y rígidos de la EstaciónIntermedia de la Calle 100.

En el Cuadro 6-5 se presentan los espesores de las estructuras en pavimento flexible dela Estación Intermedia de la Calle 100 Y la vía perimetral a esta.

Cuadro 6-5. Estructura de pavimento flexible en la Estación Intermedia de la Calle 100.


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Para el diseño de la estructura del pavimento se tuvo en cuenta que la zona presentasuelos blandos, especialmente en el área en donde se encuentra ubicada la EstaciónIntermedia de la Calle 100, razón por la cual fue necesario retirar estos materiales yreemplazarlos por un relleno de ceniza + cal.

En el diseño de la estructura de pavimento rígido, para determinar la capacidad a nivel dela estabilización, se aplicó la expresión propuesta por Ivanov así como se presenta acontinuación en el Cuadro 6-6:

(1- Einferior J

2a E equivalentehl=-*Tan --"'--~'----~

n ~*(1__1 )J[ n3.5

(

E . J1I2.5n = supenor

Einferior

En donde:

h1: Espesor de la capa analizada, cm.a: Radio de carga, cm.n: Relación entre los módulos de las capas inferior y superior.E inferior: Módulo capa inferior, Kg/cm2

•

E superior: Módulo capa superior, Kg/cm2.

E equivalente: Módulo equivalente a la profundidad analizada, Kg/cm2•

Cuadro 6-6. Aplicación fórmula de IVANOV en la Estación Intermedia de la Calle 100.

CBRcaJoo (%) = 10

E,NF. Esup. tan" (n*h,/2a) Eequiv

DESCRIPCION n n3.5 h,(cm) h,/2a 1_(1/n35) 2/p 2/p*J*1 CBR(%)

(kg/cm2) (rad) Kg/cm2

CIRCUITO 70 717 2.54 26.00 30 0.99 1.19 0.96 0.64 0.73 258 2.21CALLE 100

PERIMETRAL 75 717 2.47 23.61 30 0.99 1.18 0.96 0.64 0.72 268 2.28

Sobre esta subrasante mejorada, se aplicó la metodología de la PCA y la AASHTO,determinando las estructuras de pavimentos que se presentan en el Cuadro ~.

b-'/f



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Cuadro 6-7. Estructura de pavimento rígido en la Estación Intermedia de la Calle 100.

DISEÑO CRITERIOSE1NF Esup SBG K BG Ke

TRAMO CBR Concreto H. PCACA BG+C SBG Espesor

(kg/cm" (cm) Mpa/m (cm) Mpa/m pci PCA AASHTO Fatiga Erosión

CIRCUITO 221 655 40 8.13 45.53 30 73.31 267.44 28 48 7.5 30 40 105.5 105.5 0.00 97.61CALLE 100

PERIMETRAL 228 594 30 6.66 40.52 30 66.76 243.54 23 43 7.5 30 30 90.5 90.5 4.91 69.98

6.2.2 Portal - Patio de la Calle 170

Para los diseños de las estructuras de los pavimentos de la zona del Portal y del Patio dela Calle 170 se estudiaron alternativas en pavimentos rígidos y pavimentos flexibles. Paraestos últimos se estudiaron alternativas con mezclas asfálticas convencionales tipo MD12y MD20, mezclas de alto modulo y adoquines.

Debido a las características de baja resistencia del material de soporte y su altacompresibilidad, se realizó un mejoramiento de la sub rasante con rajón, para dar a lasiguiente capa un soporte adecuado que permita su compactación, y sobre esta se colocóuna capa de ceniza con cal al 5%, la cual no solo sirve como elemento estructural, sinoque su función adicional es disminuir los esfuerzos ejercidos sobre la subrasante, con elfin de evitar asentamientos sobre los materiales en los que se apoya la estructura. Lasespecificaciones técnicas de la capa de ceniza con cal se presentan en el Anexo 7. En laFigura 6-5 se presenta un esquema de la estructura del pavimento en la zona del Portal-Patio de la Calle 170.

SUB BASE GRANULAR

CENIZA ;- CAL

SUBRASANTE

Figura 6-5. Esquema de la estructura de pavimento flexible para el Portal-Patio de laCalle 170.

Con base en la información extractada del capítulo de Caracterización de materiales delInforme Final de Geotecnia - Suelos y Fundaciones (ver Anexo 16 del informe deCaracterización Geotécnica de Pavimentos ), se pudo establecer que la zona estacompuesta por suelos limosos en espesores aproximados de 10 metros, los cuales seencuentran sobre arcillas que alcanzan profundidades de 20 metros. Tanto los limos comolas arcillas presentan altos contenidos de materia orgánica que los hace propensos a los



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cambios volumétricos debidos a procesos de consolidación y a la inestabilidad propia delos materiales orgánicos. En razón a la profundidad hasta la cual se presentan estosmateriales, no es económicamente posible proceder a su reemplazo, por lo que lasalternativas planteadas están orientadas a construir las estructuras de pavimentos sobrelos materiales mencionados, teniendo en cuenta técnicas que ayuden a aminorardeformaciones y estructuras que permitan distorsiones sin que se afecte su estabilidadestructural, por medio de compensación de cargas de tal forma que el esfuerzotransmitido sea mínimo. En la Figura 6-6 se presenta el perfil del terreno con el perfil delproyecto, en donde se observa que existen tanto zonas de corte (máximo 0,78 m), comozonas en terraplén (máximo 0,70 m).

CORTE 1-1'

Figura 6-6. Perfil del terreno en la zona del patio.

6.2.2.1 Diseño de la estructura de pavimento flexible.

Con base en la metodología descrita en el numeral 3.2 de este informe, en el Cuadro 6-8se presentan los espesores de las estructuras en pavimento flexible de la zona del Portaly del Patio de la Calle 170.



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Cuadro 6-8. Estructura de pavimento flexible para la zona del Portal Patio de la Calle170.

Con los espesores obtenidos, que incluye una capa de ceniza con cal para disminuir losesfuerzos sobre la subrasante, se determinaron los esfuerzos sobre esta, los que seindican en el Cuadro 6-9. Para estos cálculos se consideró un peso específico deagregados granulares de 2,1 tlm3, de ceniza de 0,9 tlm3

, y 1,6 tlm3 para los suelosexistentes. Los valores se determinaron con base en los ensayos realizados por esteConsorcio y presentados en el Informe Final de Geotecnia - Suelos y Fundaciones, endonde la densidad húmeda mínima en la zona es de 1,29 ton/m3 y la máxima es 1,86ton/m3

.

Cuadro 6-9. Esfuerzos sobre la subrasante.

PATIO PORTAL

DescripcionEstructura Sobrecarga (11m3) Descripcion

Estructura Sobrecaraa (11m3

(cm) Actual Ceniza MCSR (cm) Actual Ceniza MCSR

Carpeta Asfáltica 21 Carpeta Asfáltica 18

Base 54 Base 30

Sub-base 50 2,625 2,625 Sub-base 32 1,68 1,68

Ceniza + cal 190 1,71 3,99 Ceniza + cal 190 171 3,99

Esfuerzo (tIm3) 5,04 4,335 6,615 Esfuerzo (11m3) 4,32 3,39 5,67

% con relación al actual 86,01 131,25 % con relación al actual 78,47 131,25Diferencia (%) 45,24 Diferencia (%) 52,78

MCSR Material de conformación de Subrasante

En la zona del portal, se determino utilizar mezclas de alto modulo debido a las altascargas de transito y al grado de canalización que se presenta, caso contrario de la zonadel patio en donde los vehículos transitan descargados y con una amplia área deoperación.

6.2.2.2 Diseño de la estructura de pavimento en adoquines.

La alternativa de diseño en adoquines para el Portal de la Calle 170 se planteaexclusivamente para la zona del patio con el objetivo de minimizar el impacto que sepueda presentar por asentamientos del suelo de soporte y facilitar las labores demantenimiento, este mantenimiento debe ser rutinario y periódico, debido principalmenteal comportamiento que puedan tener los suelos de fundación de la estructura.



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A continuación se presentan los parámetros de diseño y el dimensionamiento de laestructura del pavimento con superficie de rodadura en adoquines. En la Figura 6-7 sepresenta un esquema de la estructura de pavimento con superficie de rodadura enadoquines, estos últimos tienen un espesor de 8 cm en combinación con una cama dearena de 3 cm, según se recomienda por S. SHACKEL (1990) y en la Guía de Diseño dePavimentos de Adoquines de Concreto para Tráfico Vehicular y Peatonal del ICPC(Instituto Colombiano de Productores de Cemento).

Para los métodos empleados, la sub rasante se caracteriza en términos del CSR,calculando el CSR de diseño para un percentil del 12,5%. Con base en el Cuadro 6-10se encontró un CSR de diseño de 0,70 % para la subrasante de la zona del Portal-Patiode la Calle 170.

Cuadro 6-10. CSR de diseño para la zona del Portal-Patio de la Calle 170.

CBR (%)ZONA

Cono Lab.

0.83 1.50.74 0.52.6 1.5

0.83 2.10.51 1.3

PATIO 0.82 0.82.5 0.91.2 2.1

0.89 1.20.66 0.7

1.20.694.06

PORTAL1.811.151.020.89

Percen!;1 12.5 0.69 0.70

Debido a las bajas propiedades mecánicas y de resistencia de la subrasante, se planteael mejoramiento de la subrasante mediante rajón, determinando su capacidad mediante lafórmula propuesta por la Shell y descrita en la siguiente ecuación.

EMat.Cranulares = O,2ho,45 E.wbrasante

En donde:

E Mal. Granulares: Módulo resiliente de los materiales granulares (MPa).h: Espesor de la capa de los materiales granulares existentes (mm).ESubrasante: Módulo resiliente de la subrasante (MPa)



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Instituto de Oesarroílo UrbanoCentro de Oocllmeniac¡no

I71

1

SUB BASE GRANULAR

CENIZA + CAL

Figura 6-7. Esquema de la estructura de pavimento con superficie de rodadura enadoquines.

6.2.2.2.1 Diseño de la estructura de pavimento con adoquines - Método Racional

Para desarrollar la metodología racional para el diseño de estructuras de pavimento conJdara de" rodadura en adoquines, se tuvieron en cuenta las recomendaciones deB.Shackel. (1990), en las cuales establece las cargas de tráfico con base en ladistribución de cargas por tipo y peso de eje, con las cuales se establece el efectoacumulativo, determinando de esta forma el daño relativo para cada eje, acumulándolosegún la ley de Miner así:

(Siendo la unidad el valor máximo para diseño)

Donde:N; = Numero de ciclos aplicado al nivel de deformación ini = Numero de ciclos esperado al nivel de deformación i

Para determinar la deformación unitaria permisible se aplicó la expresión desarrollada porClaessen et al, 1977 en la guía de diseño Shell para pavimentos flexibles.

s = 28000\ NO.25

Donde:Sv = deformación unitaria (microdeformaciones)N = Numero de aplicaciones de carga

A continuación en el Cuadro 6-11 se presentan los espesores de las estructuras de lospavimentos para la zona del Portal-Patio de la Calle 170 propuestas para aplicar lametodología racional.



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Cuadro 6-11. Estructuras de pavimento en adoquines propuestas para el Portal y Patiode la Calle 170

PATIO PORTAL

Descripcion Estructura Adoquin Descripcion Estructura Adoquin(cm) E (Moa) v (cm) E/Mpa) v

Adoquin 11 900 0,3Adoquin 11 900 0,3

AdQ(8cm)+Arena(3cm) Adq(8cm)+Arena(3cm)Base 15 200 0,35 Base 20 200 0,35Sub· base 20 130 0,35 Sub· base 30 150 0,35Ceniza + cal 190 60 035 Ceniza + cal 190 70 035

Subrasante mej. Sub rasante mej.Sub rasante I I 7 Subrasante 7

Con los criterios de diseño anteriormente mencionados, se determinaron lasdeformaciones para cada hipótesis de carga mediante el programa Bisar (Ver cálculos enel Anexo 3), y se acumularon aplicando la ley de Miner encontrando los resultadospresentados en el Cuadro 6-12:

Cuadro 6-12. Acumulación de daños según la ley de Miner

DESCRIPCIONCARGA EJESIMPLE (t) RUEDA Deformación Esfuerzo Lev de MinerSENCILLA DOBLE CARGA (N) RADIO(cm)' &'(llStrain) Ev (ka/cm') N, n, n;l N, I n;l N,

6.0 29,400 11.65 193 0.046 442,999,146 6,921,495 0.016

PORTAL 7.5 36,750 13.03 240 185,262,346 8,830,080 0.048 0.8911.0 26,950 11.16 344 43,893,312 6,921,495 0.15812.5 30625 11.89 390 0.062 26,568,908 17,660,160 0.665

PATIO 5.1 24,990 10.74 306 70,104,584 1,533,730 0.02 0.308.5 20846 9.81 488 10838092 3,067,460 0.28

• Radio obtenido con una preslon de Inflado de 100 PSI

Como se mencionó anteriormente, la capa de ceniza tratada con cal, no solo sirve comoelemento estructural, sino que su función adicional es disminuir los esfuerzos ejercidossobre la subrasante, con el fin de evitar asentamientos sobre los materiales en los que seapoya la estructura. La disminución esperada de los esfuerzos sobre la subrasante seindica en el Cuadro 6-13, considerando un peso específico de agregados granulares de2,1 tlm3, de ceniza de 0,9 tlm3, y 1,6 tlm3 para los suelos existentes.



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Cuadro 6-13. Esfuerzos sobre la subrasante

PATIO PORTAL

Descripcion Estructura Sobrecarqa (t/m3) Descripcion Estructura Sobrecarga (11m3)(cm) Actual Ceniza Afirmado (cm) Actual Ceniza Afimnado

Adoquin ttAdoquin 11

Adq(8cm )+Arena(3cm) Adq(8cm )+Arena(3cm)Base 15 Base 20Sub·base 20 0,966 0,966 Sub-base 30 1,281 1,281Ceniza + cal 190 171 3,99 Ceniza + cal 190 1,71 399Esfuerzo (11m3) 3776 2676 4956 Esfuerzo (11m3) 4016 2991 5,271% con relación al actual 70,87 131,25 % con relación al actual 74,48 13125Diferencia (%) 60,38 Diferencia (%) 56,77

Teniendo en cuenta que el perfil del terreno presenta zonas de corte y terraplén, secalculó el espesor de la capa de ceniza con cal de la zona que más requiere de este, así:

He * ,160 = H g * 2,10 + H ce * 0,90

Donde:

He: Espesor de excavación, m.Hg: Espesor capa granulares, m.Hcc: Espesor ceniza con cal, m.

Teniendo en cuenta que la altura de relleno es de 0,70 m, el espesor de excavación secalculó como sigue:

He = H g + H ce - 0,70

En donde el espesor de las capas de materiales granulares es de 0,46 m (Ver Cuadro6-13), se obtiene como espesor de la capa de ceniza con cal 1,90 m los cuales debencolocarse en toda la zona del Patio - Portal de la Calle 170 con los sobreanchosestablecidos en esta zona (1,00 m), por debajo del nivel de la subbase, con el fin degarantizar una superficie homogénea en toda el área del patio, homogenización que seinicia posterior a la excavación con la capa de rajón propuesta, y que continúa con la capade ceniza mencionada.

6.2.2.2.2 Diseño de la estructura de pavimento con adoquines - Método Británico

En esta metodología de diseño se tiene en cuenta el tráfico obtenido por medio de ejesequivalentes de 8,2 toneladas. Con el tráfico de diseño y siguiendo el procedimientopropuesto por la Sritish Standard Institution para pavimentos de adoquines, se obtiene laestructura total requerida de las capas granulares en espesores equivalentes de mezclaasfáltica compactada en caliente, y posteriormente, por medio de factores de conversión,se encuentran sus respectivos espesores.

Los valores de capacidad portante de la sub-rasante son los mismos que los aplicados enla metodología racional. Sobre esta subrasante mejorada, se coloca una capa de cenizamanteniendo los mismos niveles utilizados en la metodología racional, calculando el CSR


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equivalente a este nivel por medio de la fórmula de Ivanov desarrollada en el Cuadro6-14 con la información de la sub rasante de la zona del Portal-Patio de la Calle 170.

ZONAE1NF. I Esup,

n n3.5 h,(cm) h,/2atan"(n'h,/2a)

t_(I/n35) 2/" 2/,,'J'1Eequiv CBR

(ka/cm') (rad) Kq/cm2

Patio 184 I 612 1.62 5.38 50 1.64 1.21 0.81 0.64 0.63 494 6.49

Portal 184 I 714 1.72 6.67 70 2.30 1.32 0.85 0.64 0.72 648 9.49

Cuadro 6-14. CBR equivalente a nivel de subrasante mejorada

A continuación en el Cuadro 6-15 se presentan las estructuras de pavimentos obtenidasutilizando el Método británico tanto para la zona del Patio como para la zona del Portal.

Cuadro 6-15. Estructura del pavimento obtenida utilizando el Método Británico.

DESCRIPCION Factor de conversiónAUTOMOVILES

Parámetros CACC* H (cm)

Ejes de diseño ( 8.2 ton) 4_090.000

CBR Sub-rasante 6,49

Espesor pleno en CACC 170

Espesor adoquín 1,00 8 8

Capa de arena 1,00 3 3

Base granular 0,45 66 15

Sub-base granular 0,30 104 35

*Espesor de Concreto Asfáltico Compactado en Caliente

Espesor Total I 181 60

(a) Estructura de pavimento de la zona Patio

DESCRIPCION Factor de conversiónAUTOMOVILES

Parámetros CACC* H(cm)

Ejes de diseño ( 8.2 ton) 163.890_000

CBR Sub-rasante 9,49

Espesor pleno en CACC 243

Espesor adoquín 1,00 8 8

Capa de arena 1,00 3 3

Base granular 0,45 135 30

Sub-base granular 0,30 108 36

*Espesor de Concreto Asfáltico Compactado en Caliente

Espesor Total I 254 77

(b) Estructura de pavimento de la zona Portal

A continuación se presenta el diseño estructural del bordillo de confinamiento de losadoquines.



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6.2.2.2.3 Diseño bordillo de confinamiento

Teniendo en cuenta que la carga del eje más crítico de un bus del sistema transmilenio esde 12,5 ton, la carga que puede llegar a apoyarse sobre este bordillo de confinamiento esde 6,25 ton centrada en una longitud de 2,40 m. El bordillo fue modelado como una vigasimplemente apoyada. En la Figura 6-8 se presenta un esquema del bordillo con la cargaaplicada.

Figura 6-8. Carga sobre bordillo de confinamiento.

Aplicando un factor de seguridad de 2,5 y suponiendo que la sección del bordillo es de0,25 m de ancho x 0,60 m de alto, al momento y cortante en la viga son los siguientes:

M = (6,25 *;5 *2.4) = 9.375ton/ m

v = (6,25~~2,5) = 3.125ton

La cuantía de acero requerida a flexión es de 5.11 cm2, y el acero mínimo es 4.53 cm2, serequieren 4 varillas de 3/4" y por cortante requiere estribos de dos ramas de 3/8"separados cada 0,25 m, así como se indica en la Figura 7-9. Además, este bordillo debetener un pasador de 1 1)¡" con el propósito de facilitar el paso del agua desde la estructurahacia fuera de esta (Ver plano de detalles).

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L " _.. .-~--_JFigura 6-9. Sección transversal del bordillo de confinamiento.

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En la Figura 6-10 se presenta un esquema del confinamiento de los adoquines en la zonadel patio en el Portal-Patio de la Calle 170.

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Figura 6-10. Esquema de confinamiento de los adoquines en la zona del patio Ca e 170.

La elaboración y colocación de los adoquines deben cumplir con las especificaciones dela normatividad INVIAS descritas en el artículo 510.

6.2.2.3 Diseño de la estructura de pavimento rígido

Teniendo en cuenta las metodologías y parámetros de diseño para las estructuras depavimento rígido expuestas en el numeral 3.1 y 3.3 de este informe, en el Cuadro 6-16se presentan los espesores de la estructura de pavimento de la zona del Patio - Portal dela Calle 170.

Cuadro 6-16. Estructura en pavimento ríqido de la zona del Patio-Portal Calle 17PORTAL PATIO

Descripción EstructuraE (Mpa)

EstructuraE (Mpa)

(cm) (cm)

Losa de concreto MR45 28 21

Mezcla asfáltica MD-20 7,5 3545 7,5 3545

Sub - base 20 84 20 84

Ceniza + cal 70 70 70 70

Subrasante mejorada 18 18

Rajón 30 30

Subrasante 7 7

O.



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En Anexo 2 se presentan las memorias de cálculo del diseño de la estructura depavimento rígido de la zona del Patio - Portal de la Calle 170. En el Anexo 5 sepresentan los planos de modulación de las losas de concreto que hacen parte de laestructura del pavimento rígido.

6.3 ANALlSIS DE ASENTAMIENTOS

Para evaluar el asentamiento total bajo la estructura del pavimento, se estimó en primerlugar el asentamiento elástico (L1 H). Este asentamiento fue determinado a partir de lageometría y cargas aplicadas, y de las propiedades elásticas del suelo de cimentación.En segundo lugar, se estimó el asentamiento por consolidación (p e), el cual se establecióa partir del coeficiente de compresibilidad y los esfuerzos efectivos a la profundidad decimentación. El asentamiento total fue el resultado de sumar estos dos tipos deasentam iento.

Los asentamientos elásticos inmediatos debidos a un cimiento rectangular dedimensiones S x L apoyado sobre la superficie de un medio elástico semi-infinito puedenser estimados basado en la teoría de la elasticidad según la siguiente ecuación(Timoshenko y Goodier, 1951).

donde:qo Presión de contacto en la superficie debido al cimiento.S Ancho del cimientom Número de esquina relacionada al cimiento, según lo siguiente:

m=1 para asentamiento calculado en una esquinam=2 para asentamiento calculado en la mitad de un ladom=4 para asentamiento calculado en el centro del cimiento

Es, Módulo de elasticidad.v Relación de PoissonI¡ Factores de influencia, los cuales dependen de US, H, relación de Poisson y laprofundidad de desplante D.

Con base en lo anterior, se calcularon los asentamientos en el centro, en la mitad de unlado y en la esquina del cimiento, teniendo en cuenta toda el área de la zona del Patio dela Calle 170 de donde se obtuvo lo siguiente:

Análisis en: L1HEl centro 7,8 cm.La mitad de un lado 3,9 cm.Una Esquina 1,9 cm.

Se analizaron también deformaciones elásticas instantáneas mediante elementos finitos,bajo las condiciones más desfavorables, las cuales fueron del orden de 25 cm.



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Los asentamientos por consolidación de una zapata se calculan mediante la siguienteexpresión:

donde:f1~H

Coeficiente de reducción para asentamientos por consolidación.Espesor del i-ésimo estrato.

Ce Coeficiente de compresión del i-ésimo estrato.l+eo{jv Esfuerzo vertical efectivo a la profundidad de análisis.

~qv Incremento del esfuerzo vertical a la i-ésima profundidad debido a la carga ensuperficie.

Debido a la gran dimensión de la estructura de pavimento comparada con la profundidaddel estrato consolidable (b/z= 6), se estima que no habrá una disipación considerable deesfuerzos, a lo largo del estrato, es decir, que el esfuerzo aplicado en la superficie, setransmitirá en su totalidad a lo largo del estrato. Esta teoría también se corroboró con elprocedimiento de Osterberg (1957), con el cual se concluye que relaciones b/z > 3 sonconsideradas infinitas y el factor de influencia de esfuerzos es igual a la unidad. De estaforma, si la estructura de pavimento se coloca directamente sobre el terreno, losasentamiento$Í30r\ consolidación en la zona del Patio de la Calle 170 se estimansuperiores aCSOcm)

"'-'-"-. .. /

Por otra parte, la estructura de pavimento propuesta, mediante compensación de cargasteniendo en cuenta la excavación prevista y el relleno de ceniza (ver Figura 6-6 y Figura6-7), tendrá un esfuerzo del orden de 26.8 kPa. En la sección mas crítica (donde seretirará la menor cantidad de suelo) el esfuerzo actual que soporta el terreno es de 26.5kPa. Bajo estas condiciones, el incremento de esfuerzo generado por la estructura depavimento es de 0.3 kPa y se mantendrá hasta el final del estrato. Los asentamientos porconsolidación esperados en este caso son del orden de 2.0 a 2.5 cm, los cuales seconsideran aceptables para este tipo de estructura. La opción recomendada, mediantecompensación de esfuerzos, generará asentamientos que se consideran manejables, conla ventaja de que no hay necesidad de suspender los trabajos mientras ocurre el procesode consolidación como se describe más adelante en soluciones de tipo precarga. Cabeanotar que debido a la heterogeneidad del material, como criterio de diseño se prevéasentamientos diferenciales en la zona, lo cual justifica el uso de un pavimento flexiblemediante adoquines.

Adicionalmente, se consideraron dos posibles soluciones al problema de asentamientospor consolidación primaria cuando no se realiza compensación del material. La primeraopción fue utilizando sobrecarga, la segunda mediante sobrecarga combinada con drenesverticales. En los dos casos, el criterio de análisis fue lograr al menos el 90% de laconsolidación primaria que genera la estructura de pavimento.



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Para el caso de la sobrecarga se ha estimado que para alcanzar un 90% de laconsolidación primaria se requiere un relleno de aproximadamente 20 m de altura duranteun periodo de 2 años en toda el área del Patio, la cual es del orden de 45.000 m2

• Paradeterminar las características necesarias del relleno, se definen posibles tiempos deduración de la sobrecarga, los cuales deben ser manejables dentro de los plazos yespecificaciones del proyecto. Conocido este tiempo, el coeficiente de consolidaciónvertical del suelo (cy) y la máxima distancia de drenaje, se calcula un factor de tiempo (Ty),

con el cual se puede determinar la relación de consolidación (U), tal como se muestra acontinuación:

c *tTv=_v-

2Hdr

U=~* ry.J1i -v 1v(Terzaghi, 1943)

La relación (U) indica la proporción entre el asentamiento generado por la estructura depavimento y el producido por el relleno, en el momento en que se termina de aplicar lasobrecarga. Con esta relación (U) se puede conocer el asentamiento total necesariodebido a la sobrecarga, de tal manera que para el tiempo de duración del relleno, hayagenerado la consolidación esperada debido a la estructura de pavimento. De estamanera, se calcula el incremento de esfuerzo necesario, y con éste, la altura del rellenoque debe manejarse. Se obtienen diferentes combinaciones de altura de relleno y tiempode aplicación.

Con este sistema, el volumen aproximado de relleno necesario es de 900.000 m3,

estimando un valor de $10.000/m3 de material compactado, el costo aproximado de estaalternativa será de nueve mil millones de pesos.

La otra opción es la utilización de drenes verticales espaciados cada 2 m con un rellenode aproximadamente 2 m de altura. En este análisis se establece el diámetro (dw) Y laseparación de los drenes (D) que se van a utilizar. Luego se definen posibles alturas desobrecarga, se calcula el asentamiento total que generaría cada una de ellas, y con estola relación de consolidación (U), la cual indica la proporción entre el asentamientogenerado por la estructura de pavimento y el producido por cada sobrecarga. Con elconocimiento de estos parámetros (dw, D, U) Y el coeficiente de consolidación horizontaldel suelo (Ch) se puede determinar el tiempo (t) que es necesario utilizar cadacombinación de drenes y altura de relleno, de tal manera que se logre la consolidaciónesperada debido a la estructura de pavimento. Se obtienen diferentes combinaciones dealtura de relleno y tiempo de aplicación, para el diámetro y distribución de drenes definido.A continuación se presentan las relaciones usadas, propuestas por Hansbo (1979).

D2 * f1 1t= ln-- .

Sc" 1-U'

2

f1=---;--[ln(n)-O.75+n2] ,n=D/dw

n -1

Con este sistema se requiere un periodo de tiempo de aproximadamente 6 meses. Lalongitud total estimada de drenes es de 336.000 m, y con un valor aproximado de$6.000/m, el costo total de los drenes es del orden de dos mil millones de pesos. Elvolumen de relleno necesario es de aproximadamente 90.000 m3

, lo que equivale a un

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costo de novecientos millones de pesos. De esta manera, el costo total aproximado deesta opción es de dos mil novecientos millones de pesos.

Adicionalmente, el costo de la instrumentación para el control de la eficiencia y finalmenteestimar el tiempo necesario del proceso de consolidación en cualquiera de los dos casosmencionados anteriormente, para el área aproximada de 45.000 m2

, para lo cual se hanestimado la colocación de 15 piezómetros y 15 extensómetros, es de quinientos millonesde pesos, este valor no incluye el costo de monitoreo durante el proceso que se haestimado del orden de dieciocho millones de pesos por mes de monitoreo. Es de anotarque el material utilizado en la precarga debe ser retirado y depositado adecuadamente, delo cual no se ha considerado su costo.

Además, debido al tipo de material encontrado en algunos sitios (suelos orgánicos de altaplasticidad), después de la consolidación primaria se producirían también asentamientospor consolidación secundaria, por lo cual las soluciones presentadas de precarga nomitigarían totalmente el problema.

El anterior análisis técnico y económico permite concluir que la estructura de adoquinescon compensación de esfuerzos, es la mejor alternativa desde los puntos de vista técnicoy económico, para el pavimento del Patio de la Calle 170.


INFORME FINAL DE PAVIMENTOS·ALTERNATIVAS DE DISENOREV. 3 -NOVIEMBRE 07, 2008

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6. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO DE LA · PDF fileEn la Figura 6-4 se presenta la estructura con la cual se realizó el diseño de los pavimentos flexibles y rígidos en laEstación