6_Diseño de Pavimentos UNAM - AASHTO

8/18/2019 6_Diseño de Pavimentos UNAM - AASHTO

1/77

INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE

Diplomado Virtual en Proyecto,Construcción y Conservación de

Carreteras Proyecto de Carreteras

Ing. José Antonio Gómez López

Investigador, División de Laboratorios de Infraestructura, IMT

[email protected]

30 de septiembre- 9 de octubre de 2015.


2/77

Proyecto de Carreteras

1Ing José Antonio Gómez López

Contenido

1. Introducción ...................................................................................................... 3

2. Condiciones actuales de las carreteras en México .......................................... 4

Comparativo Internacional de Densidad Carretera .......................................... 4

Longitud de la red carretera en 2000 ............................................................... 5

3. Generalidades ................................................................................................ 10

Definición de Pavimento .................................................................................... 10

Función y características de un pavimento. ....................................................... 11

Pavimento flexible o rígido ................................................................................. 12

Agentes que deterioran a los pavimentos .......................................................... 13

Fallas y tipos de fallas........................................................................................ 15

Estructuración de un pavimento flexible, funciones y características. ............... 18

Carpeta .......................................................................................................... 19

Base ............................................................................................................... 22

Subbase ......................................................................................................... 23

Subrasante ..................................................................................................... 24

Subyacente .................................................................................................... 25

Terraplén ........................................................................................................ 26

4. Metodologías de diseño de pavimentos ......................................................... 27

Diseño de pavimentos asfálticos, II UNAM, DISPAV ......................................... 27

Procedimiento de cálculo ................................................................................... 28

Revisión, evaluación estructural de pavimentos ................................................ 40

Ejemplo de aplicación ........................................................................................ 41

Diseño de Pavimentos método AASHTO .......................................................... 44

Ecuación de diseño para pavimentos flexibles .................................................. 49

Ejemplo de diseño de pavimento: .................................................................. 75


3/77

Diplomado Virtual en Proyecto Construcción y Conservación de Carreteras



4/77



1. Introducción

La necesidad de transportar bienes y servicios así como de pasajeros en el mejorde los casos se realiza por el medio de transporte terrestre más utilizado:

CARRETERA. Por lo anterior, es necesario que un país cuente con un buensistema carretero que cumpla con las exigencias que le impone el tránsito.

En México las primeras carreteras fueron construidas en las primeras décadas delsiglo XX con el fin de conectar primeramente a la capital del país con las capitalesde los estados, posteriormente se comenzaron a construir carreteras quepermitían la comunicación entre los diferentes municipios en los diferentes estadosy también lo que correspondía a las comunidades rurales. Lo anterior, fue la baseque da vida al sistema carretero mexicano.

La manera en cómo se diseñaban y construían las carreteras correspondía con lasexigencias de aquellos tiempos de tal modo que las los materiales que muchasveces se utilizaban eran obtenidos de bancos de préstamo, cercanos a lacarretera misma, y se utilizaban fundamentalmente para construir las terracerías.A nivel de capa de rodamiento en muchas carreteras simplemente se colocabancarpetas a base de riegos de sello. Cabe señalar que las cargas y los diferentestipos de vehículos también eran muy diferentes a las que se presentan hoy en díatan es así que el tránsito de aquellos tiempos podía ser de algunos cientos devehículos o incluso algunos miles, que contrastan contra las decenas de miles devehículos que se presentan hoy en día en las principales carreteras mexicanas y

en zonas conurbadas.

La gran mayoría de las carreteras que conforman los corredores carreteros estánconstruidos con una superficie de rodamiento hecha con concreto asfáltico lo quesignifica que se trata de pavimentos considerados como flexibles, en el caso delosas de concreto hidráulico se trataría de pavimentos rígidos.

Las notas que se anexan para cubrir el curso de Proyecto de Carreterascontempla fundamentalmente el caso de diseño de pavimentos flexibles haciendouso de dos metodologías muy utilizadas en el área de pavimentos: Método del

Instituto de Ingeniería de la UNAM (DISPAV 5), y la método AASHTO.


5/77



2. Condiciones actuales de las carreteras en México

La red carretera nacional, que se ha desarrollado de manera gradual a lo largo devarias décadas, comunica a casi todas las regiones y comunidades del país a

través de más de 333 mil kilómetros de caminos de todos tipos. Por su importanciay características, la red carretera mexicana se clasifica en: red federal, redesestatales, caminos rurales y brechas mejoradas.

La red federal de carreteras es atendida en su totalidad por el gobierno federal.Registra la mayor parte de los desplazamientos de pasajeros y carga entreciudades y canaliza los recorridos de largo itinerario, los relacionados con elcomercio exterior y los producidos por los sectores más dinámicos de la economíanacional. Las redes estatales cumplen una función de gran relevancia para lacomunicación regional, para enlazar las zonas de producción agrícola y ganadera

y para asegurar la integración de extensas áreas en diversas regiones del país.Por su parte, los caminos rurales y las brechas mejoradas son vías modestas y engeneral no pavimentadas; su valor es más social que económico, puesproporcionan acceso a comunidades pequeñas que de otra manera estaríanaisladas. Sin embargo, su efecto en las actividades y la calidad de vida de esasmismas comunidades es de gran trascendencia.

Si bien la red carretera posee una importancia de primer orden para nuestro país,que se destaca en el mundo por su vocación caminera, tanto la vastedad delterritorio nacional como las crónicas limitaciones presupuestales que ha padecido

y otros factores inciden en una u otra medida en el hecho de que México poseauna densidad carretera (es decir, la longitud de carreteras por kilómetro cuadradode territorio) relativamente baja, como lo ilustra el cuadro que sigue.

Comparativo Internacional de Densidad Carretera

(km de carreteras por km2 de territorio)

MéxicoEstadosUnidos

Canadá Francia Alemania Italia JapónReinoUnido

0.14 0.64 0.10 1.62 1.77 1.04 3.04 1.61

Para finales del año 2000, la red carretera nacional tenía una longitud total de 333mil 247.1 kilómetros, de los que 106 mil 571.5 corresponden a carreteras libres, 5


6/77



mil 933.1 a autopistas de cuota, 160 mil 185.1 a caminos rurales y alimentadores y60 mil 557.4 a brechas.

De las carreteras libres, 41 mil 865.8 kilómetros pertenecen a la red federal,mientras que 64 mil 705.7 están distribuidos entre las 31 redes estatales. Por lo

que se refiere a las autopistas de cuota, la red operada por CAPUFE, integradapor su red propia y la que opera por cuenta de terceros incluida la red delFideicomiso de Apoyo para el Rescate de Autopistas Concesionadas (FARAC),tiene una longitud de 4 mil 714.7 kilómetros, las concesionadas a particularescuentan con 786 kilómetros y 432.4 son concesiones estatales de cuota.

Los caminos rurales en su gran mayoría se han transferido a los gobiernos de losestados, por lo que la SCT sólo mantiene la jurisdicción directa de 4 mil 596.9kilómetros. El total de caminos rurales a cargo de los estados suma 108 mil 530.2kilómetros, mientras que el total que es responsabilidad de municipios y otras

dependencias es de 47 mil 58 kilómetros. Las brechas se reparten en todo el paísy suman 60 mil 557.4 kilómetros (véase el cuadro siguiente).

Longitud de la red carretera en 2000

Características Longi tud (km)

Red federal 47 366.5

Cuota

Libre

5 500.7

41 865.8Redes estatales 65 138.1

Cuota

Libre

432.4

64 705.7

Red de caminos rurales 160 185.1

SCT

Estados

Otros

4 596.9

108 530.2

47 058.0

Brechas mejoradas 60 557.4

TOTAL 333 247.1


7/77



Del total de kilómetros en servicio, 107 mil 822.4 están pavimentados, 145 mil 350corresponden a carreteras revestidas, 19 mil 517.3 son de terracerías y 60 mil557.4 son brechas. Entre los caminos pavimentados, una longitud de 9 mil 872.6kilómetros (9.2 por ciento del total) tiene cuatro o más carriles.

Los principales aspectos de la problemática de la red federal de carreteras son eldeficiente estado físico en que se encuentra, las limitaciones geométricas y decapacidad de una longitud importante de los corredores que constituyen sustramos más utilizados, la todavía insuficiente cobertura, el mal estado de loscaminos rurales y la necesidad de consolidar el funcionamiento del sistemanacional de autopistas de cuota, tanto en lo que se refiere a sus aspectosfinancieros como a cuestiones operativas y de conservación.

En la actualidad, y como se muestra en la figura, las condiciones físicas en que seencuentra la red federal de carreteras se clasifican de esta manera:

· 25 por ciento, buenas

· 35 por ciento, regulares

· 40 por ciento, malas

Existe la preocupación por parte de la Secretaría de Comunicaciones y

Transportes por lo que para asegurar buenas condiciones de servicio al públicomantiene programas de conservación de carreteras, para evitar mayoresdeterioros, y poder recuperar tramos que llegaron a presentar daños importantesen el pasado.


8/77



Considerando los volumenes de tránsito que utilizan la red de carretras federales ylas especificaciones con las que cuenta, se observa que en promedio, el 60 porciento de su longitud funciona en condiciones que oscilan entre buenas y óptimas.Por otro lado, un 30 por ciento presenta condiciones regulares en términos decapacidad y alrededor de 10 por ciento opera cerca de la saturación. En esos

tramos se presentan problemas de congestionamiento y los costos de operaciónde los vehículos resultan más elevados que en el resto.

Uno de los elementos más importantes de la red carretera nacional lo constituyenlos 14 corredores que conectan las cinco mesorregiones con que cuenta el país yque proporcionan acceso y comunicación permanente a las principales ciudades,fronteras y puertos marítimos. La longitud de estos corredores, que atienden pocomás del 54 por ciento de los flujos carreteros interregionales y cuya configuraciónse presenta en el mapa (siguiente), es de 19 mil 263 kilómetros. Actualmente seencuentran en proceso de modernización total, mismo que, hasta el año 2000,había avanzado en un 60.8 por ciento, lo que equivale a 11 mil 714 kilómetros.Así, se encuentran pendientes de modernizar otros 7 mil 549 kilómetros, es decir,el 39.2 por ciento de su longitud. En el cuadro que sigue al mapa se presentandetalles respecto a ese proceso de modernización.

Corredores carreteros en México


9/77



COMPy R A M A S E C T O R I A L D E C O M U N I C A C I O N E S Y T R A N S P O R T E S 2 0 0 1 - 2 0 0 6

En materia de caminos rurales, el país cuenta con una red de 160 mil 185.1kilómetros y comunica a 19 mil comunidades en las que habitan 14 millones depersonas, es decir, el 60 por ciento de la población rural nacional. Esta red estácompuesta por caminos de bajas especificaciones, que son transitables en todaépoca del año y desempeñan un papel fundamental en la comunicación eintegración permanentes de las comunidades a las que sirven.

En la actualidad, el estado físico de la red de caminos rurales es bueno en el 11por ciento de su longitud total, regular en el 27 por ciento y malo en el 62 por

ciento.

Es necesario señalar que la infraestructura carretera del país es más bien antiguay que aproximadamente sólo el 15 % tiene menos de 15 años de funcionamiento ymás del 57 % con más de 30 años de vida.

Lo anterior es importante si se considera que el diseño para las carreteras quecuentan con más de 30 años de existencia, difiere del criterio del diseño actual, ya


10/77



que las cargas de diseño de hace más de 30 años no corresponden a lasnecesidades actuales. El incremento de las cargas ha evolucionado de 34toneladas (1960) hasta 66,5 toneladas (T3S2R4). Al incrementarse las cargashabrá mayor daño lo que se aprecia en el incremento del número de ejesequivalentes que se utilizan para diseñar y en consecuencia el aumento en los

espesores de las capas que constituyen una estructura carretera.


11/77



3. Generalidades

Las principales funciones de un pavimento son las de transmitir los efectos deltránsito adecuadamente a las terracerías y proporcionar una superficie de

rodamiento cómoda y segura para los usuarios

Los pavimentos se diseñan para funcionar dentro de un periodo de diseño o másbien para un número de repeticiones de cargas esperadas, con uncomportamiento previsto por el mismo diseño, es decir, al final del periodo ocuando las repeticiones de carga se cumplan deberá presentar un estado de fallasque el mismo diseño consideró. Otra característica que debe manejarintrínsicamente el diseño, es el de producir una estructura económica con losmateriales disponibles, aquí se habla en términos de costos totales, los de lainversión inicial, más los de la conservación o mantenimiento a lo largo del

periodo, más los de operación durante ese tiempo.

Todos los tipos de pavimentos y sin importar su uso deben satisfacer de unamanera u otra lo anterior. En vías terrestres existen los pavimentos aeroportuarios,en donde pista, calles de rodaje y plataformas de operaciones recibentratamientos muy específicos para esos usos y se diseñan medianteprocedimientos propios de esa especialidad, de igual forma los patios de carga enpuertos y centrales multimodales de transferencia de carga. En este tema, porrazones de espacio y tiempo, se abordarán específicamente los pavimentos paracarreteras que son los más usuales, sin embargo los fundamentos serán de

aplicación para todos los casos.

Definic ión de Pavimento

Un pavimento puede expresarse como un conjunto de capas, prácticamenteparalelas entre sí, construidas con materiales especialmente seleccionados paraque actúen en conjunto formando una estructura, que van desde la parte superiorde las terracerías hasta la superficie de rodamiento, en algunos casos esta

estructura puede estar formada de una sola capa.Las principales funciones de un pavimento son las de transmitir los efectos deltránsito adecuadamente a las terracerías y proporcionar una superficie derodamiento cómoda y segura para los usuarios.


12/77



En la práctica se ha aceptado que el pavimento está constituido por carpetaasfáltica, base hidráulica (estabilizada) y subbase, las terracerías están formadaspor la subrasante, y el terraplén.

Función y características de un pavimento.

El pavimento es un sistema que está caracterizado por las propiedades,espesores y acomodo de diferentes materiales que forman un conjunto de capascolocadas una sobre otra. EL pavimento se apoya en una capa denominadasubrasante que está conformada en ocasiones por el terreno natural, o bien por unmaterial seleccionado. La subrasante debe soportar las cargas inducidas por eltránsito, dentro de un periodo de tiempo determinado (periodo de proyecto), sinsufrir deterioros y/o deformaciones que afecten la integridad del pavimento. Estacapa es considerada como la cimentación del pavimento.

El pavimento tiene diferentes funciones:

· Proporcionar una superficie de rodamiento segura, cómoda y concaracterísticas permanentes, bajo la acción de las cargas repetidas deltránsito.

· Resistir el tránsito previsto para el periodo de diseño y distribuir losesfuerzos producidos por el tránsito hacia niveles inferiores sin que seproduzcan deformaciones importantes.

· Ser una estructura que sea capaz de resistir los factores climáticos del lugaren el que es construido, principalmente asociados al agua y a temperatura,

ya que son los que producen efectos más adversos en el comportamientode los materiales que lo constituyen.

También están asociadas al pavimento características funcionales y estructurales.Cuando a los usuarios ya no les es confortable circular sobre el pavimento se diceque ha perdido funcionalidad, las estructurales están asociadas fundamentalmentea problemas de agrietamiento por fatiga, deformaciones permanentes y afracturamiento térmico.

Respecto a las características funcionales se mencionan las siguientes:

· La resistencia al derrapamiento, que consiste en una adecuada textura enla superficie de rodamiento, la textura debe ser adecuada para lasvelocidades de operación vehicular.


13/77



· La regularidad transversal y longitudinal en la superficie, que afectadirectamente la comodidad del usuario, dependiendo de las deformacionespresentes en el pavimento se podrá o no alcanzar la velocidad consideradaen el proyecto.

· Características de reflexión luminosa, son importantes para la conducción

nocturna y para el diseño apropiado de las instalaciones de iluminación.· Drenaje superficial adecuado, para evitar que el espesor de la película de

agua que escurra sobre la superficie de rodamiento sea grande y así evitarel fenómeno conocido como acuaplaneo.

Por otro lado, las características estructurales están asociadas con los aspectosmecánicos de los materiales utilizados en la construcción de las diferentes capasque conforman el pavimento, dichas características inciden en el espesor de cadacapa; el análisis mecánico da una idea de los efectos producidos por las cargasdel tránsito, en cuanto a estados de esfuerzo y deformaciones. De lascaracterísticas estructurales depende en gran medida la vida útil del pavimento.

Pavimento flexibl e o rígido

Como todas las estructuras, también los pavimentos se deforman al ser cargados,las cargas vivas del tránsito flexionan las capas de todos los tipos de pavimentos,pero al cesar estas la estructura recupera casi totalmente su posición inicial ya que

los materiales que la forman son prácticamente elásticos para los estados deesfuerzos de diseño. La parte de la deformación no recuperada es acumulativa yse le llama deformación permanente y depende de los componentes plásticos o dela degradación de los materiales. A la parte de la deformación recuperable se lellama deformación elástica o temporal y depende básicamente del módulo deelasticidad de los materiales.


14/77



De hecho, los pavimentos que más se flexionan resultan por lo general con mayordaño, mientras que los que menos se flexionan bajo la acción de una carga dada,se dañan menos, este fenómeno está relacionado con la fatiga mecánica de losmateriales.

Como todos los pavimentos se flexionan de manera diferente, resulta difícil definirqué tan flexible debe ser un pavimento para considerarse como tal o hasta quépunto máximo podría permitirse la flexión de un pavimento rígido para serdenominado de ese modo.

Se considera pavimento rígido a aquel cuyo elemento resistente principal es unalosa de concreto hidráulico y flexible aquellos que contienen capas de materialesgranulares y/o asfálticas como estructura principal. Ambos tipos de estructuraspodrán tener una capa asfáltica como superficie de rodamiento, pero en el caso delas losas de concreto hidráulico no será un elemento estructural principal. Las

estructuras mixtas formadas por losas de concreto hidráulico y capas demateriales granulares y asfáltico sin importar su orden, pero todas colaborandopara formar la estructura pueden considerarse como pavimentos compuestos.

Agentes que deter ioran a los pavimentos

Uno de los agentes deletéreos para los pavimentos más reconocidos y temidos esel agua, pero resulta que el agua puede causar estos efectos sólo si se le permite

entrar en contacto con las terracerías y los pavimentos en la cantidad, con lapresión y si se le deja permanecer el tiempo suficiente para que cause esosdaños. ¿Qué significa?, se presenta la expresión propuesta originalmente porCoulomb y posteriormente por Terzaghi para obtener la resistencia al esfuerzocortante en suelos con cohesión y fricción, aunque esta funciona en suelos noremoldeados y los pavimentos son un tanto artificiales, sus principios pueden serútiles para resolver el misterio del agua en los pavimentos, la ecuación es lasiguiente:

s = c + ( s - m ) tan f

En la cual:

s= Esfuerzo cortante del suelo

c = Cohesión del suelo

= Esfuerzo normal en el plano de falla


15/77



= Presión de poro (presión del agua en la masa de suelos)

= Angulo de fricción interna del suelo

El primer término de la expresión anterior representa la resistencia al corte de lacapa del pavimento que se analice, esta depende de c o cohesión de la fracción

fina del suelo, propiedad altamente dependiente del contenido de agua, a mayorcontenido de agua menor cohesión, reconociendo que puede no haber linealidad(la cohesión puede prácticamente desaparecer con alto contenido de agua). Laresistencia al corte de los suelos gruesos o en este caso de la fracción granular dela capa, está caracterizada por la tangente de Φ o ángulo de fricción interna, quedepende de su composición granulométrica, de la naturaleza y forma de laspartículas y del arreglo o acomodo que tengan, pero está afectado del factor (σ -μ) que representa los esfuerzos efectivos entre partículas. Los esfuerzos efectivosdependen del esfuerzo normal σ en el punto estudiado, (en pavimentoscoloquialmente se le llama presión de confinamiento) y de la presión del agua enexceso de la hidrostática o μ ; si la presión del agua aumenta mucho, por ejemplobajo la acción dinámica del tránsito, los esfuerzos efectivos pueden casidesaparecer quedando la resistencia al corte dependiendo solamente de lacohesión, que existiendo agua en la capa también disminuye notablemente comoya se dijo.

Por lo anterior, el buen funcionamiento de un pavimento, es decir el éxito de undiseño, de la conservación, o la rehabilitación depende de cómo se resuelva elproblema del flujo de agua por encima, a los lados, por debajo, por entre losmismos pavimentos y a través del camino; si no se toma en cuenta lo anterior o nose considera al drenaje y al subdrenaje como parte fundamental del pavimento noexistirá estructura o solución que perdure. En conclusión primero es el manejo delagua y después todo lo demás.

En la figura siguiente se esquematizan cómo influyen los aspectos ambientales enel comportamiento de los pavimentos.

Es fundamental que el ingeniero de pavimentos recuerde que para que un camino(pavimento) cumpla con lo proyectado y que finalmente le exige el tránsito debe decontemplar las obras de drenaje y subdrenaje como son por ejemplo: puentes,alcantarillas, lavaderos, cunetas, contracunetas, drenes, subdrenes, etc. Pues lacarretera que no contenga las obras de drenaje señaladas por robusta que sea laestructuración de la misma está destinada a fallar más pronto de lo que se puedeimaginar, pues el agua trabajará sobre, dentro y por debajo de la carretera.


16/77



Principales elementos climáticos que afectan a los pavimentos.

Fallas y tipos de fallas

Cuando un pavimento llega a presentar las condiciones de deterioro para los quefue diseñado se dice que ha llegado a su nivel de rechazo. En términos muygenerales una falla es cualquier defecto que impida que el pavimento cumpla consus objetivos fundamentales. Los objetivos fundamentales pueden dividirse en dosgrupos, los estructurales y los funcionales u operativos.

Falla estructural . Falla que rompe, debilita o afecta la continuidad estructural delpavimento.

Falla funcional . Falla que afecta principalmente la seguridad y comodidad de losusuarios y que no altera de manera importante a la estructura del pavimento.


17/77



Fractura. Discontinuidad estructural que separa en planos generalmente

verticales a la estructura, formando dos o más bloques que actúan por separadode forma más o menos independiente según lo severo del caso. Se descartandesde luego las juntas que se construyen a propósito.

Las fracturas si no son muy severas, curiosamente son bien toleradas por losusuarios, pero resultan totalmente indeseables para el pavimento pues permiten laentrada de agua y de otros agentes deletéreos a su interior, iniciándose así elprincipio del fin. Las fracturas deben ser selladas siempre que sea posible en lapráctica en cuanto aparezcan, después puede ser demasiado tarde.

Según su capacidad de trasmitir los esfuerzos y movimientos de un bloque a otro,las fracturas pueden ser fisuras o grietas.

Fisura. Fractura del grueso de un cabello, en puntos aislados su abertura máxima

no es mayor de 1.0 mm. Existe fisura si en el plano de formación, generalmentevertical existe contacto o trabazón entre los materiales de bloques adyacentes, detal manera que existe cierta capacidad de transmisión de carga y movimiento entreellos. En pavimentos rígidos existe una fisura en la losa si se trasmite entrebloques adyacentes por lo menos el 80% de la carga o el movimiento vertical, delo contrario los bloques actúan en forma independiente y existe una grieta.


18/77



Grieta. Si la fractura es perfectamente visible y en la mayoría de su longitud tieneuna abertura superior a un milímetro, no tendrá la habilidad para trasmitir cargas omovimientos entre bloques adyacentes, o lo hará de manera poco eficaz; entoncesexiste una grieta.

Muchos no estarán de acuerdo con los términos de fisura o grieta pero esto resultapráctico.

Deformación o distorsión. Toda pérdida de la geometría inicial de la estructuradel pavimento implica deformación, pero más concretamente cuando existecambio de volumen; tal es el caso de las deformaciones permanentes, estas seconvierten en fallas cuando superan los límites que se esperan en el diseño. Lasdistorsiones implican además de la pérdida de la forma por cambio de volumen, eldesplazamiento del material hacia arriba o a los lados, los materiales ya nopueden seguir cambiando de volumen y por lo tanto se mueven de lugar.

Desintegraciones. Cualquier capa de un pavimento puede deteriorarse hastaentrar en un proceso de desintegración, en el caso de los suelos estabilizados sólomecánicamente se dice que se degradan, es frecuente encontrar suelos muydiferentes a los originales en estudios practicados después de algunos años deservicio, en alguna forma, ciertas partículas pueden desintegrarse. Este término seaplica más en carpetas de materiales asfálticos y losas de concreto sujetas a laacción directa del tránsito y del ambiente, en donde se producen desprendimientosaislados de partículas, desprendimiento superficial de agregados o la francadesintegración de toda la capa. Aparecen así los terribles baches y las calaveras

que son una forma de desintegración local.

Superficie resbaladiza. Esta falla funcional es muy grave pues atañe a laseguridad, la superficie puede ser resbaladiza y provocar el derrape de losvehículos por muchas causas, como el derrame de substancias sobre la superficiede rodamiento o la caída o arrastre de suelos y basura sobre ésta, pero la causamás común es el pulido o desgaste de los agregados expuestos que son losresponsables de una textura friccionante con los neumáticos, o en el caso de lospavimentos rígidos del desgaste del texturizado de la losa de concreto realizadopara este mismo fin. Uno de los objetivos principales de la administración depavimentos actualmente, es mantener superficies de rodamiento con índices defricción tanto con superficie húmeda como seca por arriba de los mínimosinternacionales en todo momento.

Superficie áspera o ruidosa. Contrario al caso anterior, el desprendimiento deagregados o la desintegración superficial de la superficie de rodamiento puedenproducir vibraciones incómodas o exceso de ruido, en nuestro país no existen


19/77



normas aún que limiten el ruido producido por el tráfico en una carretera, pero laincomodidad al conducir se toma en cuenta en la calificación del estado físico ytambién se mide la textura o acabado de la superficie de rodamiento a la cual se leasigna un rango de aceptación. Una textura demasiado áspera también puedeproducir desgaste excesivo de los neumáticos.

Exudación de asfalto. Esta es una falla común en todo tipo de superficiesasfálticas, desde carpetas, hasta tratamientos superficiales, se caracteriza porqueel asfalto de color negro y brillante aflora a la superficie, haciendo el pavimentoresbaloso en esas áreas, sobre todo estando húmedas. Esta falla se presenta enforma local, es decir en áreas generalmente a lo largo de las fajas de rodaje(huellas) y es raro encontrarla de forma generalizada en toda la superficie, en lamayoría de los casos se atribuye a defectos de construcción o a un mal diseño dela mezcla. Lo más probable es que haya exceso de asfalto en la mezcla o que nosea el adecuado, pensando que la mezcla es colocada en un entorno contemperaturas elevadas.

Estructuración de un pavimento flexible, funciones y características.

Un pavimento flexible normalmente se concibe con las siguientes capas:

· Carpeta asfáltica· Base

· Subbase· Subrasante· Subyacente Cuerpo de terraplén

Carpeta asfáltica

Base hidráulica

Subbase

Subrasante

Terraplén

Sección estructural típica para pavimento flexible.


20/77



Carpeta

Es la parte que soporta directamente el tránsito vehicular y es la que se encargade brindar las características funcionales al pavimento. Estructuralmente, absorbelos esfuerzos horizontales y transmite los verticales hacia las capas inferiores. Es

construida con mezclas asfálticas (en frío) o concreto asfáltico (caliente), ademáspuede contener algún agente modificador para mejorar alguna característica, deacuerdo a la temperatura o a la intensidad pluvial de la zona en que se construya.

De acuerdo a la norma N-CMT-4-04, los materiales pétreos a utilizar en lasmezclas asfálticas para la construcción de carpetas, pueden ser naturales osujetos a tratamientos de disgregación, cribado, trituración o lavado.

Según el tipo de mezcla asfáltica que se utilice

Los materiales granulares se clasif ican según su uso en:

a. Mezclas asfálticas de granulometría densab. Mezclas asfálticas de granulometría semiabiertac. Mezclas asfálticas de granulometría abiertad. Mortero asfálticoe. Carpetas por sistema de riegos

Cada una de las clasificaciones anteriores tiene un uso el cual está señalado en lanormativa para la infraestructura del transporte de la SCT, en cada caso la SCT

indica los requisitos de calidad con los que deben cumplir los materiales pétreos.

Las características de calidad y de granulometría se señalan en las tablassiguientes.

Requisitos de calidad del material pétreo para mezclas asfálticas de granulometríadensa, para un número de EE del tránsito menor a un millón.


21/77



Requisitos de granulometría del material pétreo para mezclas asfálticas degranulometría densa cuando el número de EE del tránsito sea menor a un millón.

Para el caso en que el tránsito sea mayor a un millón de ejes equivalentes, losmateriales pétreos deberán cumplir con lo indicado en las siguientes tablas.

Requisitos de granulometría del material pétreo para carpetas asfálticas degranulometría densa cuando el número de EE del tránsito sea mayor a un millón.


22/77



Requisitos de calidad de pétreos a utilizarse en carpetas asfálticas degranulometría densa, con tránsito mayor a un millón de EE

Los requisitos de granulometría y la calidad de lo pétreos para las demáscondiciones de mezclas podrá consultarse en la normativa para la infraestructuradel transporte, carreteras SCT (www.imt.mx).

Materiales asfálticos para carreteras

El asfalto es un material de color negro, está constituido por asfaltenos, resinas yaceites que le proporcionan características de consistencia, aglutinación yductilidad. Es sólido o semisólido y tiene propiedades cementantes a temperaturasambientales normales; cuando es expuesto al calor, se ablanda hasta que suconsistencia se vuelve líquida.

Los materiales asfálticos pueden clasificarse en:

· Cementos asfálticos

· Emulsiones asfálticas· Asfaltos rebajados

Esta clasificación se da, de acuerdo a la forma de aplicación de loa materialesasfálticos según la siguiente tabla.

Clasificación de los materiales asfálticos y sus usos comunes.

Materialasfáltico

Vehículo para suaplicación

Usos más comunes

Cementoasfáltico Calor

Se utiliza en la elaboración en caliente de carpetas,mezclas, morteros y estabilizaciones, así como

elemento base para la fabricación de emulsionesasfálticas y asfaltos rebajados.

Emulsiónasfáltica

AguaSe utiliza en la elaboración en frío de carpetas,mezclas, morteros, riegos y estabilizaciones.

Asfalto rebajado SolventesSe utiliza en la elaboración en frío de carpetas y para la

impregnación de subbases y bases hidráulicas.


23/77



Los materiales asfálticos y las características que debe cumplir así como losensayes correspondientes se encuentran en la normativa de la SCT.

Base

Es la capa que se construye bajo la carpeta y su función es básicamente la deresistir los esfuerzos verticales que le llegan de arriba, así como distribuirlosadecuadamente hacia niveles inferiores sin que se produzcan deformacionesimportantes, debe ser permeable y contar con la suficiente rigidez para nodeformarse bajo las repeticiones de carga producidas por el tránsito.

Los materiales que se utilizan en capas de base pueden ser: materiales cribados,parcialmente triturados, totalmente triturados, mezclados

Requisit os de calidad que deben cumplir los materiales de base:

· Si el tránsito durante la vida útil del pavimento es mayor a 10 millones deEE (de 8,2 toneladas), el material será 100 % producto de la trituración derocas sanas.

· Si el tránsito esperado durante la vida útil del pavimento es entre 1 y 10millones de ejes equivalentes, el material deberá contener al menos el 75 %de roca sana triturada.

· Si el tránsito acumulado durante la vida útil del pavimento es menor a 1

millón de ejes equivalentes; el material deberá contener al menos el 50 %de roca sana triturada.

Requisitos de calidad de los materiales para base de pavimentos asfálticos.


24/77



Zonas granulométricas recomendables de los materiales para bases depavimentos con carpetas de mezcla asfáltica de granulometría densa.

Subbase

Es la capa construida bajo la base y sobre la subrasante, puede ser o noconstruida dependiendo de la capacidad de soporte de la subrasante. Su función

básica es la de proporcionar una cimentación adecuada para la correctacolocación de la base, en la medida de lo posible debe tener una función drenantepor que deberá carecer de materiales finos; es la transición entre el pavimento ylas terracerías.

Requisitos de calidad de los materiales para subbases de pavimentos asfálticos.


25/77



Zonas granulométricas recomendables de los materiales para subbases depavimentos asfálticos.

Subrasante

Su función es la de recibir los esfuerzos transmitidos por las capas superiores y

transmitirlas al terreno de cimentación, está conformada por suelos naturales,seleccionados o cribados producto de cortes o de la extracción de bancos.

De acuerdo al número de ejes equivalentes de tránsito esperado durante la vidaútil del pavimento, se tendrán los siguientes casos:

· Cuando la intensidad del tránsito sea igual o menor a 1 millón de EE, elmaterial deberá cumplir con la calidad y granulometría señalada por lanormativa y tendrá un espesor mínimo de 20 cm.

· Cuando la intensidad del tránsito sea entre 1 y 10 millones de EE deberá

cumplir con la calidad señalada en la normativa y tendrá un espesor mínimode 30 cm

· Cuando la intensidad del tránsito sea superior a 10 millones de EE la capasubrasante será motivo de diseño especial.


26/77



Requisitos de calidad de materiales para capa subrasante

Subyacente

Se construye bajo la subrasante y puede o no ser requerida. Los materiales queconstituyen esta capa son suelos y fragmentos de roca, producto de cortes o de laextracción de bancos.

La SCT recomienda los siguientes espesores mínimos para la construcción deesta capa, en función del número de ejes equivalentes.

· Si la intensidad del tránsito es menor a 10000 EE durante la vida útil delproyecto no será necesario construir esta capa.

· Si la intensidad del tránsito es de 10000 a 1 millón de EE, esta capadeberá contar con espesor mínimo de 30 cm.

· Si la intensidad del tránsito es de 1 millón a 10 millones de EE esta capadeberá ser construida con espesor mínimo de 70 cm.

· Si la intensidad del tránsito es mayor a 10 millones de EE esta caparequerirá un diseño especial.

Requisitos de calidad de materiales para capa subyacente.


27/77



Terraplén

Su función es la de alcanzar el nivel de desplante para la construcción de lasubyacente.

El terraplén se construye con suelos y fragmentos de roca, producto de cortes ode la extracción de bancos, y en ningún caso deben ocuparse materialesorgánicos y/o producto de despalmes.

Requisitos de calidad de materiales para terraplén.


28/77



4. Metodologías de diseño de pavimentos

En la presente sección se abordarán básicamente dos metodologías que enMéxico son muy utilizadas para el diseño o revisión de pavimentos flexibles:

· Diseño de Pavimentos Asfálticos, Incluyendo Carreteras de AltasEspecificaciones, Instituto de Ingeniería de la UNAM, Programa DISPAV

· AASHTO Guide for Design of Pavements Structures, conocido comométodo AASHTO.

Diseño de pavimentos asfálticos, II UNAM, DISPAV

La inquietud de desarrollar un método de diseño de pavimentos para México nacióen la década de los 60 s a iniciativa de la Secretaría de Comunicaciones y ObrasPúblicas (SCOP), hoy Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) la cualle brindó todas las facilidades al Instituto de Ingeniería de la UNAM para llevar acabo los estudios y experimentación para lograr el método de diseño depavimentos.

Desde entonces El Ing Santiago Corro y su equipo de trabajo de dedicaron arealizar estudios del comportamiento de pavimentos en diferentes tramos deprueba los cuales fueron instrumentados para evaluar el comportamiento de los

materiales. De igual manera realizaron estudios en la pista experimentalFernando Espinoza en la cual evaluaron diferentes secciones, cargas, númerode pasadas, etc.

Tramo experimental y pista circular Fernando Espinoza (II UNAM).


29/77



A lo largo de prácticamente cincuenta años salieron a la luz un buen número deartículos y documentos producto de las investigaciones realizadas en el Institutode Ingeniería de la UNAM, entre otras, se encuentran los documentos 325 y 444.El método actual, DISPAV, es un método muy amigable que se encuentradisponible en un programa que lleva el mismo nombre.

En el DISPAV se consideran los postulados básicos del método de diseñoanterior, un modelo rígido plástico y criterios de capacidad de carga de Terzaghipara estimar la deformación permanente a largo plazo. Un modelo elástico paradeterminar el comportamiento del camino, basado en la falla por agrietamiento afatiga de las capas ligadas con asfalto, considerando la deformación unitaria críticaa tensión en esas capas.

El DISPAV-5 versión 3.0 es un programa de tipo interactivo que permite calculartanto carreteras de altas especificaciones como carreteras normales. Su

fundamento es teórico experimental y para su aplicación se emplean conceptos ymétodos de cálculo mecanicistas.

El diseño estructural del pavimento está basado en el número de ejes equivalentesque produce el tránsito mezclado que se considera pasará en el carril de diseñoque es con el que se obtiene la sección de pavimento. Es necesario señalar que 1eje equivalente corresponde al daño unitario que produce un eje dual con 8,2toneladas de carga (18,000 libras).

En el cálculo analítico de los factores de daño por camión, se toma en cuenta

carga total, tipo de eje, presión de llanta y la profundidad a la cual se estima elfactor de daño.

Se hace la caracterización de los materiales con base en su comportamiento realalargo plazo. El método de diseño incluye modelos de deterioro para estimar ladeformación permanente del pavimento a la falla, basados en pruebas a escalanatural y en el laboratorio así como modelos para determinar el comportamiento afatiga de las mezclas asfálticas.

Procedimiento de cálculo

El programa contiene varios módulos, dos de ellos son los más utilizados,DISPAV-5 y REVPAV-5. EL DISPAV-5 es el utilizado para el diseño de seccionesde pavimento nuevo y el REVPAV-5 es el correspondiente al de revisión depavimentos en operación, pensando en la vida remanente que aún queda de dicho


30/77



pavimento. En ambos casos, se contemplan pavimentos a los que el autordenomina de altas especificaciones y caminos normales.

El diseño de un pavimento es a partir de un tránsito de proyecto y decaracterísticas mecánicas de materiales conocidos. Se llega a la determinación de

los espesores de capa requeridos para el tránsito de proyecto deseado.

Procedimiento para diseño estructural

El método de diseño comprende dos aspectos fundamentales de desempeño enpavimentos.

a. Deformación permanente.b. Fatiga.

Tipo de Carretera

· Diseño de carreteras de altas especificaciones en las que se requiereconservar un nivel de servicio alto en la superficie de rodamiento, durantetoda la vida de servicio. Al término de la vida de proyecto la deformaciónesperada con este modelo es del orden de D = 1.2 cm con agrietamientoligero o medio.

· Diseño de carreteras normales en donde la deformación permanente altérmino de la vida de proyecto es D = 2.5 cm con agrietamiento medio ofuerte. En este tipo de diseño se requiere mantenimiento rutinario frecuente.

Es importante señalar que el comportamiento del pavimento depende de manerasignificativa del control de calidad en la construcción y de un mantenimientoadecuado. En el caso de carpetas asfálticas el diseño de la mezcla asfáltica es unelemento importante en el comportamiento y se requiere un diseño cuidadoso paraevitar fallas prematuras.

En el caso de carreteras de altas especificaciones, las consideraciones anteriores

tienen mayor relevancia y es necesario elegir materiales de construcción de muybuena calidad; emplear un diseño correcto en las mezclas asfálticas y aplicar uncontrol de calidad riguroso durante la construcción.


31/77



Tránsito de Proyecto

El método considera dos tránsitos de proyecto.

· Tránsito equivalente para el diseño por fatiga de las capas ligadas, (daño

superficial, capas asfálticas).· Tránsito equivalente para el diseño por deformación permanente

acumulada, (daño profundo, nivel de terracerías).

En la experimentación se toman en cuenta las cargas reales. Sn embargo en elproceso de análisis se acostumbra utilizar el tránsito equivalente, usualmentereferido a ejes sencillos con llantas gemelas y peso estándar de 8,2 toneladas elcual produce el mismo daño que el tránsito mezclado que se presenta en larealidad.

En carreteras de dos carriles, el tránsito del carril de proyecto se considera comola mitad del total que soportará la carretera. En carreteras con más de dos carriles,debe estimarse la proporción de vehículos que soportará el carril de proyecto

Distribución del tránsito en el carril de proyecto

Número decarriles en ambas

direcciones

Coeficiente de distribucióndel tránsito en el carril de

proyecto, %

2 50

4 40-50

6 30-40

Si son conocidos los tránsitos equivalentes de 8,2 toneladas en el carril deproyecto pueden introducirse directamente, en caso contrario, el tránsitoequivalente se puede estimar a partir del Tránsito Diario Promedio Anual (TDPA)en el carril de proyecto, número de vehículos, composición del tránsito por tipo devehículo en porciento. Además, deberá analizarse lo relacionado a cargas por eje(sencillo, doble o triple), proporción de vehículos cargados y vacíos, tasa decrecimiento anual en porciento y el número de años que se considera en elproyecto.


32/77



Niveles de tránsito equivalente

El DISPAV-5 considera cuatro niveles de tránsito.

Niveles de tránsito equivalente en el carril de proyecto

Nivel de tránsitoequivalente

Ejes equivalentesde 8.2 toneladas

I T


33/77



La posibilidad de incluir una base estabilizada con asfalto es considerada, pues enel programa se realizan los análisis de esfuerzos y deformaciones unitarias detensión en la carpeta.

La capa de terracerías se analiza como un medio semi-infinito.

Sección típica de pavimentos, DISPAV-5 (II UNAM).

El método de diseño proporciona una estimación adecuada de las deformacionesunitarias por fatiga en las capas estabilizadas con asfalto, empleando el modeloelástico de cinco capas (CHEV4) con las adaptaciones del II de la UNAM.

Estructuración típica de pavimentos,parámetros de materiales de capa para análisis.


34/77



Valores Soporte de California cr íticos.

Las características de calidad de los materiales utilizados en la construcción depavimentos es fundamental pues es a partir de ellas que se realizan los análisispara el diseño de espesores.

EL DISPAV-5 para determinar los espesores de pavimento lo realiza a partir de losmódulos resilientes de los materiales no ligados con asfalto, pero el programaofrece la posibilidad de trabajar con el Valor Soporte de California y a partir de esevalor y utilizando una expresión obtenida experimentalmente se obtiene el valordel módulo correspondiente (E=130*CBR0.7).

El programa revisa los valores de soporte de California críticos (documentos 325 y444 UNAM) introducidos en el programa en relación a los valores máximos ymínimos permisibles para cada capa.

El CBRz crítico (VRSz) es comparado con el máximo permisible (CBR máx) sidicho CBRz es mayor, entonces se toma el CBRmáx como el valor de proyectoCBRp para efectos de diseño por deformación permanente acumulada.

Los valores máximos se establecen para obtener espesores razonables y porconfiabilidad del diseño.

Los CBR mínimos se especifican para alimenta la calidad mínima de la base y lasterracerías.

Capa depavimento

CBR máxCBRp mínimo

permisible por proyecto

Base 120 80

Subbase 30 25

Subrasante 20 15

Terracería 20 3

La tabla siguiente presenta valores de CBRz estimados para diferentes materialesque pueden ser utilizadsos en pavimentos


35/77



CBRz críticos estimados para pavimentos, sobre subrasantes compactadas al95% PVSM Próctor estándar

Obtención de los módulos elásticos de los materiales a partir del CBR

Para el diseño por fatiga se requieren encontrar las deformaciones unitarias portensión en la parte inferior de la carpeta, es necesario conocer el módulo elástico(resiliente) de las capas no estabilizadas.

De la experimentación realizada por el Instituto de Ingeniería de la UNAM se llegaa la expresión que permite la determinación de los módulos de los materiales.

E = 130 CBRz 0.7, el módulo elástico se expresa en kg/cm2

Módulo d inámico de la carpeta asfáltica

En la reología de mezclas asfálticas la temperatura y el tiempo de aplicación de

carga tienen una influencia significativa en el valor del módulo, por lo que serecomienda hacer estudios para fijar los valores de proyecto. Si no se conoce elmódulo dinámico el programa se detiene para que el proyectista tenga laoportunidad de obtenerlo experimentalmente, o estimarlo a partir de lacomposición volumétrica, características del asfalto frecuencia de aplicación decarga y temperatura.


36/77



Si el módulo elástico de un material varía con el tiempo de carga, el móduloresiliente, que es el módulo elástico bajo cargas repetidas, debe seleccionarse deacuerdo con la duración de carga correspondiente a la velocidad del vehículo. Elmódulo dinámico para HMA y el módulo elástico de diferentes materiales sepresenta en las siguientes tablas.

Valores típicos de módulo dinámico para mezclas asfálticas HMA.

Temperatura

(°C)

Frecuencia de Carga (Hz)

1 4 16

Rango Media Rango Media Rango Media

40 6.0-18.0 12.0 9.0-27.0 16.0 10.0-30.0 18.0

70 2.0-6.0 3.0 4.0-9.0 5.0 5.0-11.0 7

100 0.5-1.5 0.7 0.7-2.2 1.0 1.0-3.2 1.6

Nota: Módulos en 105 psi, 1 psi = 6.9 kPa

Valores típicos de módulos resilientes para diferentes materiales.

Material Rango Típico

Concreto hidráulico 3 × 10 6 × 10 4 × 1 0

Base estabilizada con cemento hidráulico 1 × 10 3 × 10 2 × 1 0

Suelo-cemento 5 × 10 2 × 10 1 × 1 0

Suelo estabilizado con cal y cenizasvolantes 5 × 10 2.5 × 10 1 × 1 0

Arci lla ríg ida 7600 a 17,000 12,000

Arci lla media 4700 a 12,300 8000

Arci lla blanda 1800 a 7700 5000

Arci lla muy blanda 1000 a 5700 3000

Nota: Módulos en psi, 1 psi = 6.9 kPa


37/77



Relación de Poisson

La relación de Poisson ( ), como se ilustra en la figura se define como la relaciónde la deformación lateral x a la deformación axial y, causada por una cargaparalela al eje vertical de simetría en el que se mide y.

Ilustración de la relación de Poisson

Matemáticamente puede expresarse como:

=

donde:

= Relación de Poisson

x = Deformación unitaria lateral

y = Deformación unitaria axial

La determinación de este parámetro puede efectuarse en laboratorio mediantepruebas estáticas o dinámicas en las que las deformaciones sean monitoreadasen ambas direcciones. Este parámetro tiene efectos relativamente pequeños en larespuesta del pavimento, por lo que sus valores pueden ser razonablementesupuestos para su uso en diseño, en lugar de determinarlo en laboratorio. LaTabla muestra relaciones de Poisson típicas para materiales de pavimentación.


38/77



Relaciones de Poisson para diferentes materiales.

Material Rango Típico

Concreto HMA 0.30-0.40 0.35

Concreto hidráulico 0.15-0.20 0.15

Suelos granulares sin estabilizantes 0.30-0.40 0.35

Suelos granulares estabilizados concemento

0.10-0.20 0.15

Suelos finos estabilizados concemento

0.15-0.35 0.25

Suelos estabilizados con cal 0.10-0.25 0.20

Mezcla cal-ceniza volante 0.10-0.15 0.15

Arena suelta o sedimentada 0.20-0.40 0.30

Arena densa 0.30-0.45 0.35

Suelos de agregado fino 0.30-0.50 0.40

Arcil las blandas saturadas 0.40-0.50 0.45

El programa suministra valores promedio para cada capa y permite al usuariomodificarlos.

Espesores mínimos de capa

Cuando se realiza el diseño con DISPAV-5 los espesores obtenidos para cadacapa se comparan con un espesor mínimo especificado para el nivel de tránsito deproyecto establecido. Si el espesor calculado es menor al mínimo especificado setoma dicho espesor mínimo como espesor de proyecto.


39/77



Espesores mínimos de las capas de pavimento, cm.

Capa depavimento

Nivel de tránsito

I II III IV

Carpeta* 0 5 5 5

Base* 15 15 15 15

Subbase* 15 15 15 15

Subrasante** 20 30 30 30

Subrasante*** 30 40 40 40

*Aplicable a caminos normales y carreteras de altas especificaciones**Aplicable a caminos normales***Aplicable a carreteras de altas especificaciones

Los caminos con tránsito Nivel I, hasta 1 millón de ejes equivalentes puedenconstruirse con un tratamiento superficial sobre una base de buena calidad. Paratránsitos mayores es conveniente la colocación de una carpeta de concretoasfáltico, o base asfáltica con un tratamiento superficial.

Si el proyecto incluye carpeta asfáltica el programa pregunta si se desea continuarel análisis por fatiga, por lo que deberá realizarse éste ya que es indispensablepara realizar el análisis estructural completo.

Ajustes en el diseño

La vida previsible se compara con el tránsito de proyecto y el resultado puede ser:

· La vida previsible por fatiga o por deformación es menor que el tránsito deproyecto, se requieren ajustes para obtener un diseño adecuado.

· Las vidas previsibles son iguales a las de proyecto (tolerancia de +/- 10%).Tomando en cuenta la posibilidad de que uno de los dos criterios, FATIGA-DEFORMACIÓN PERMANENTE, sea el que defina el espesor y el otrocriterio quede sobrado, aquí se considera que el pavimento puede ser el


40/77



adecuado aunque conviene buscar ajustes al diseño para encontrar undiseño más económico.

· Ambas vidas previsibles son mayores que el tránsito de proyecto,considerando la tolerancia del 10%. Aquí el diseño requiere ajustes paratener uno más económico.

Si se van a realizar ajustes a la sección obtenida existen las siguientes opciones:

a. Cambiar módulo de la carpetab. Cambiar espesoresc. Emplear base asfáltica.

Cambiar las propiedades de las capas asfálticas. Sólo se cambia el módulo de

rigidez de las capas asfálticas, se recomienda que si van a cambiar los materiales

se piense el proyecto nuevamente.

Cambiar el espesor de algunas capas. Se permite modificar el espesor, por

ejemplo aumentar espesor de carpeta y disminuir el de alguna capa inferior.

Considerar la colocación de una base asfáltica. Se requiere introducir las

características mecánicas de la nueva capa como son espesor propuesto, módulo

de rigidez y relación de Poisson.

Ya introducida la base asfáltica el número de capas del pavimento puede sermayor que cinco, por lo que se requiere ELIMINAR una de las capas no asfálticas.Si el número de capas incluida la base asfáltica no rebasa cinco no requiereningún ajuste.

Se puede continuar hasta que el proyectista quede satisfecho con los espesoresobtenidos y con los valores de deformación y de fatiga.

Es aquí donde se puede terminar y salir del programa DISPAV-5.

NOTA: EL método de la UNAM está pensado única y exclusivamente parapavimentos flexibles, incluyendo base asfáltica. No contempla capascementadas ni losa de concreto hidráulico


41/77



Revisión, evaluación estructural de pavimentos

Cuando se requiera realizar la evaluación de un pavimento que se encuentra enoperación el programa lo permite y se tendrá que utilizar REVPAV-5.

La manera en cómo opera REVPAV-5, revisión de pavimentos, es muy similar a loseñalado en DISPAV-5, nada más que ahora lo que se va a realizar es unarevisión.

El ingeniero deberá conocer las características de operación de la carretera enestudio y por lo tanto necesitará realizar pruebas de campo y de laboratorio con elfin de conocer:

· Número de capas· Espesores de capa.

· Calidad de materiales que constituyen a las capas de pavimento.· Estudio del tránsito actual y su proyección en ejes equivalentes por ejemplo

a un tiempo de 10 años.

Para el análisis deberá seleccionar si el camino corresponde a un de altasespecificaciones o uno considerado normal.

En el caso de que la carretera cuente en superficie con tratamiento superficial(riego de sello) se considera que este no contribuye estructuralmente en elsistema.

Al finalizar la corrida, el REVPAV-5 indica el nivel de ejes equivalentes que escapaz de soportar el pavimento tanto en deformación permanente como en fatiga.El proyectista deberá comparar dichos valores contra los proyectados con eltránsito analizado, lo que le dará la pauta para decidir si el camino requiere lacolocación de alguna sobrecarpeta o incluso se puede llevar a cabo unareconstrucción del pavimento al contemplar la remoción de algunas capas.


42/77



Ejemplo de aplicación

Obtener el diseño del pavimento para un camino considerado de altasespecificaciones con tránsito alto. Se cuenta con datos de tránsito TDPA (5962) enel carril de proyecto, su composición, tasa de crecimiento (4%) y periodo de

proyecto (10 años), proporción de vehículos cargados de 70%, camino tipo A,construcción en cinco capas, CBRz de 100 40, 20 y 5. Módulos de 30000 kg/cm2 en carpeta y E = 130 CBR0.7 para las capas no ligadas, nivel de confianza de 85%.

Distribución del tránsito mezclado

A 66.2

B3 9.7

C2 8.0

C3 4.1

T3S2 6.0

T3S3 4.0

T3S2R4 2.0

Para la realización del diseño de pavimento se introducen los datos en elprograma denominado DISPAV-5 (versión 3.0), el programa es muy amigable ypermite ir avanzando, en el caso de que falte algún dato señala donde es. Sepuede realizar el diseño con el reglamento de pesos y dimensiones actual,(normativa SCT NOM2008, o anterior) y si es necesario se hace el ajuste decargas en los ejes de acurdo a los vehículos que se tengan. Es necesario conocerel tipo de camino: de altas especificaciones o normal. Se deberán conocer losvalores de módulo resiliente para los materiales de las capas que conformarán laestructura, en caso contrario, el programa sugiere utilizar la expresión E= 130

CBR0.7

, con la cual se estima el valor de módulo. La imagen siguientecorresponde a un punto en el que el programa señala que la sección señalada enla figura tendrá problemas por cuestiones de fatiga. Se tendrán que realizar losajustes que sean necesarios hasta encontrar la sección adecuada, es muy posibleque en el caso de deformación permanente la sección quede sobrada.


43/77



Imagen del DISPAV-5.0, la sección presenta problemas por efectos de fatiga.

Sección de diseño, espesor de carpeta de 17 cm.


44/77



Se realizará un diseño utilizando una capa de base asfáltica. Es necesariorecordar que el programa funciona únicamente con cinco capas, se elimina la capade base hidráulica.

Sección de pavimento con base estabilizada con asfalto.

La sección de diseño obtenida con DISPA-5 no es única, lo que significa que elingeniero de carreteras deberá explorar diferentes alternativas. Deberá contemplartipos de materiales, disponibilidad, costos, análisis y proyección de tránsito, etc.


45/77



Diseño de Pavimentos método AASHTO

El método de diseño AASHTO, originalmente conocido como AASHO, fuedesarrollado en los Estados Unidos de América en la década de los 60 del siglopasado, basándose en un ensayo a escala real realizado en el estado de Illinois. A

partir de los deterioros observados y considerando las solicitaciones generadas,esto es tipos de vehículos, ejes, cargas, secciones de pavimento, y control declima se llegó a expresiones de regresión que hoy en día es muy utilizada en elcampo de la ingeniería de pavimentos.

A partir de 1986, el método AASHTO comenzó a introducir conceptosmecanicistas para adecuar algunos parámetros a condiciones actuales y que nofueron contemplados en el ensayo original.

Generalidades

Uno de los objetivos principales de la prueba de carretera realizada por laAsociación Americana de Oficiales de Carreteras Estatales y Transportes en ladécada de los 60 fue recabar información para el diseño de pavimentos. Una vezterminada la etapa experimental, surgió el primer modelo para diseño depavimentos, complementado con otros procedimientos para diseño comunes enesa época; el primer modelo experimental fue usado por varias agenciasgubernamentales en varios estados o regiones de los Estados Unidos deNorteamérica.

En 1972 se editó la primer guía transitoria para el diseño de estructuras depavimentos; el término transitoria significa que la guía sería revisadacontinuamente y actualizada en cuanto se obtuvieran novedades, como sucedióen 1981 con actualizaciones en pavimentos rígidos y en 1993, en donde seajustaron las ecuaciones de diseño introduciendo los conceptos de incertidumbreo niveles de confianza, el concepto de pérdida de niveles de servicio y loscoeficientes de carga que se calculan en función del nivel de servicio terminal, elnúmero estructural o espesor de la losa y consideran el eje triple. A principios de2003 se publicó la última actualización con novedades principalmente en cuanto a

modelos mecanicistas para diseño y predicción de diferentes tipos de fallas. Enestas notas se presenta un breve resumen sobre los aspectos más importantes dela guía de 1993 pues es la que se ha aplicado en algunos diseños en nuestro paísy por ello contamos con alguna experiencia, no sucede esto con la guía 2003 queapenas se está conociendo el documento.


46/77



Estructura multicapa elástica

La estructura del pavimento flexible está considerada como una sucesión decapas paralelas de espesor y ancho finito determinados por el diseño, pero delongitud prácticamente infinita. Los materiales que se usan para formar estas

capas pueden ser el terreno natural debidamente compactado y trabajado paraformar el arranque del pavimento, capas de suelos cohesivos-friccionantes pocoplásticos, suelos granulares procesados, o suelos estabilizados con diferentesaditivos, hasta la superficie de rodamiento formada con revestimiento, carpetas deriegos o carpetas de mezcla asfáltica. La principal característica mecánicaconsiderada para el diseño es el módulo de elasticidad o de resiliencia determinado mediante una prueba triaxial con el método AASHTO 274. Losmódulos de los materiales de las distintas capas van aumentando en formagradual de abajo hacia arriba, las capas menos rígidas están en la parte inferior ylas más rígidas en la parte superior. La estructura multicapa elástica debe sercapaz de tomar los efectos dinámicos del tránsito y trasmitirlo al terreno natural o ala capa de subrasante adecuadamente; la capa de subrasante constituye elcimiento del pavimento y el diseño estructural de éste depende en gran medida delmódulo de resiliencia de esta capa. La subrasante está sujeta a fluctuaciones ensu módulo por las variaciones de humedad que ocurren con los cambios climáticosdurante toda la vida de diseño considerada, por esto la Guía hace hincapié en laselección cuidadosa de este parámetro de diseño y explica en que consiste elconcepto de módulo de resiliencia efectivo.

Referencia: Guía AASHTO para el Diseño de Estructuras de Pavimentos 1993.

Guía de Diseño AASHTO 1993


47/77



En la realización de las pruebas en el tramo AASHO se consideraron diferentesmateriales para las distintas capas que constituyeron las secciones que dieronvida al tramo AASHO. Uno de los objetivos era el de determinar la relación entrelas repeticiones de carga de los diferentes vehículos utilizados y los espesores delos diferentes pavimentos.

Se evaluó el deterioro que se presentó en las diferentes secciones y se encontróque la mayor parte de las secciones fallaron. Era de esperarse que las de mayorespesor soportarán más daño, es decir, más repeticiones de carga. Hubo muchassecciones que fallaron durante la etapa de deshielo por lo que se consideró lorelativo al drenaje y características de los materiales. Las capas de base y desubbase con mayor espesor contribuyeron a mitigar el efecto del congelamiento.También fueron evaluadas las condiciones ambientales, temperaturas en inviernoy verano, así como lo relacionado a precipitación.

Tramo experimental: AASHO Finales de los 50s

Algunas de las contribuciones del estudio son las relacionadas a la condición deservicio de la carretera:

· a mejor condición de servicio inicial mejor comportamiento en el tiempo.· Coeficientes de equivalencia establecidos en función del daño acumulado.

Transformar el tránsito mezclado a tránsito equivalente.· La expresión obtenida (ecuación) representada en un nomograma permite

determinar el número de ejes que producen la falla funcional.

Los resultados fueron dados a conocer en 1962.


48/77



Construcción del Tramo AASHO, 468 secciones, diferentes espesores de carpeta,base, subbase.

Niveles de carga en tipos de ejes:

· Ejes sencillos: 2000, 6000, 12000, 18000, 22400 y 30000 libras· Ejes tándem: 24000, 32000, 40000 y 48000 libras.


49/77



Vehículos utilizados para producir el daño en Tramo AASHO.

Es muy fácil darse cuenta que los vehículos de antaño nada tienen que ver con losque circulan actualmente en la red de carreteras mexicanas, además de que los

niveles de tránsito también han aumentado notablemente. Simplemente se puedemencionar que en zonas conurbadas pueden presentarse TDPA de variasdecenas de miles de vehículos, donde porcentajes importantes corresponden avehículos de carga (Revisar NOM 012/ SCT / 2008 / Sobre el Peso y DimensionesMáximas de los Vehículos de Carga en la Red Nacional )


50/77



Ecuación de diseño para pavimentos flexibles

El modelo de ecuación de diseño está basado en la pérdida del Índice de

Servicialidad DPSI durante la vida de servicio del pavimento, siendo la servicilidadun parámetro que representa las bondades de la superficie del pavimento para

circular sobre ella.

Variación de la servicialidad con el paso de los vehículos.

Expresión AASHTO

= + 9.36 + 1 − 0 .2 0 +

∆

. .

..

+

2.32 − 8.07

Donde:

ZR = Desviación estándar normal Zr y So

So = Desviación estándar

SN = Número estructural

DPSI = Pérdida de servicio, cambio de serviciabilidad.

MR = Módulo de resiliencia terreno apoyo.

Confiabilidad R


51/77



Confiabilidad

El concepto de confiabilidad en el modelo para diseño estructural. Los datosque intervienen en la ecuación de diseño presentan cierta incertidumbre dada sunaturaleza, por ejemplo, es difícil pronosticar el tránsito de diseño. Para asegurar

que las alternativas de diseño duren y se comporten de acuerdo a lo proyectadodurante todo el periodo de diseño, se establece un nivel de confianza para eldiseño (R) según el tipo de carretera. Para el desarrollo y aplicación de esteconcepto se supone que todos los datos varían de acuerdo a una distribuciónnormal.

Definición del concepto confiabilidad para el diseño

Para un nivel de confianza dado, el factor de confiabilidad es función de ladesviación estándar general (SO), que cuenta para las variaciones en la prediccióndel tráfico y de la predicción del comportamiento estructural del pavimento. La


52/77



desviación estándar general que se determinó durante la prueba de carretera fuede 0.35 para pavimentos flexibles y de 0.45 para pavimentos rígidos.

SO = SW2 + SN2

SO = Desviación estándar general

SW2 = Variancia con relación al tránsito de diseño, W18

SN2=Variancia con relación al comportamiento estructural, SN

Log FR = ZR x SO

FR= Factor de confiabilidad

ZR= Abscisa de la distribución normal estandarizada,

correspondiente al nivel de confianza seleccionado (R)

El factor de confiabilidad afecta al tránsito de diseño y al SN, por lo que no esnecesario usar criterios conservadores en la selección de los diferentesparámetros que intervienen en el diseño, ya que se tendrían estructurassobrediseñadas, los valores que se recomienda usar son los promedio.

Representación de la confiabilidad para carreteras.


53/77



Regla general para la confiabilidad

A mayor riesgo mayor confiabilidad

a)Riesgo bajo en camino modesto, b) Riesgo alto en grandes distribuidores.

Valores de confiabilidad R

Confiabilidad RDesviación

Estándar normal ZR

50 0

60 -0.253

70 -0.524

75 -0.674

80 -0.841

85 -1.037

90 -1.282

91 -1.340

92 -1.405

93 -1.476

94 -1.555

95* -1.645

96 -1.751

97 -1.88198 -2.054

99 -2.327

· *Muchos de los diseños se realizan para una confiabilidad del 95 %


54/77



Desviación estándar normal ZR

Clasificaciónfuncional

Nivel de confiabilidad, R, recomendado

Urbana Rural

Vías rápidas

Arterias principales

Colectoras

Locales

85 99.9

80 -99

80 -95

50 - 80

80 99.9

75 - 95

75 -95

50 -80

La confiabilidad en el diseño (R) puede ser definida como la probabilidad de que laestructura tenga un comportamiento real igual o mejor que el previsto durante lavida de diseño adoptada.

Índice se Serviciabilidad Presente (Present Serviciability Index)

El comportamiento funcional de un pavimento se refiere a la manera de cómo sirveéste al usuario, en este aspecto la calidad del viaje o confort y seguridad delmismo son las características dominantes a considerar para valorar ese servicio.

Para evaluar el comportamiento funcional de un pavimento fue desarrollado elconcepto serviciabilidad comportamiento, que asume los siguientes cincoaspectos:

Los pavimentos son construidos para la comodidad y seguridad de los usuarios.

a. El confort o calidad del viaje es competencia de la apreciación subjetiva uopinión de los usuarios.

b. La serviciabilidad puede ser expresada como el promedio de la evaluaciónde los usuarios.

c. Existen características físicas del pavimento que pueden ser medidasobjetivamente y que pueden ser correlacionadas con las evaluacionessubjetivas; este proceso produce índices de serviciabilidad objetivos.

d. El comportamiento se representa mediante la historia de la serviciabilidaddel pavimento, o sean, las variaciones de la serviciabilidad con el tiempo.

e. Para lograr estos aspectos se requeriría una encuesta a un gran número deusuarios y una escala para medir la satisfacción del servicio. La escala másgeneralmente usada va del cero al cinco.


55/77



Escala para evaluar el nivel de servicio.

Escala Calificación

5 Excelente, perfecto

4 Muy bueno

3 Bueno2 Malo

1 Muy malo

0 Pésimo, intransitable

Los extremos de la escala por lo general no se alcanzan; el cinco, porquesimplemente lo perfecto no existe, pero es común que los usuarios opinen que unpavimento nuevo muy bien terminado es excelente, cuando técnicamente existen

imperfecciones, y el uno porque simplemente ningún pavimento se deja llegar aeste estado o más bien porque los usuarios no permiten estas condiciones sobretodo si se trata de un servicio que el gobierno está obligado a prestar, muchomenos el cero.

Si medimos las variaciones de la serviciabilidad a lo largo del tiempo obtenemos lacurva del comportamiento para esa sección de pavimento.

Serviciabilidad - comportamiento


56/77



Nivel de rechazo. En la figura anterior se observa una línea recta horizontal quemarca un nivel de rechazo y representa el comportamiento o estado de deterioroal que teóricamente debe llegar un pavimento, al final de la vida de diseño ocuando se cumplan las repeticiones de las cargas consideradas para dicho diseño.Lo anterior considera que el pavimento (más bien todo el camino) fue bien

diseñado, bien construido, con los materiales de calidad y con conservaciónadecuada. Si alguno de estos aspectos no se cumplió el pavimento llegará a sunivel de rechazo en un periodo menor al de diseño o con un número menor derepeticiones de cargas que las esperadas.

El nivel de rechazo se fija para cada proyecto dependiendo de la importancia de lacarretera, aunque no existe un criterio definido, la siguiente puede ser una guíapara la selección:

Tipo de carretera Nivel de rechazo

Autopistas 3.5

Carreteras de altasespecificaciones

3.0

Carreteras conespecificaciones normales

2.5

Carreteras conespecificaciones modestas

2.0

El nivel de rechazo de alguna manera está involucrado con el factor de seguridad(nivel de confianza) que se toma en el diseño y lógico, los diseños másconservadores serán para carreteras importantes y los más limitados paracarreteras modestas que permiten fallas más severas y en mayor extensión.

Es deseable que los mismos usuarios califiquen sus pavimentos, pero también esnecesario que la calificación se haga del mismo modo, siguiendo un procedimientodeterminado y con resultados poco variables es decir repetibles, por eso existenprocedimientos estandarizados que permiten comparar el servicio que proporciona

un pavimento de un lugar respecto a otro, no solamente de un estado o país, sinoentre países.

Calificación actual. Evaluación realizada por un grupo de calificadoresentrenados pare estimar subjetivamente el nivel de servicio de un tramo depavimento en un momento dado, desde el punto de vista de la comodidad yseguridad como usuarios.


57/77



De acuerdo con el criterio de AASHTO, (Asociación Americana de AgenciasOficiales Estatales de Carreteras y Transporte) un grupo de calificadores debenrecorrer la carretera bajo las condiciones normales de tránsito y cada calificadordebe emitir su opinión cada milla avanzada, preguntándose en ese momento,¿cómo me sentiría si tuviera que viajar 500 millas de carretera en las mismas

condiciones del tramo que acabo de recorrer? (no olviden, en escala del cero alcinco). Se considera que el grupo está calibrado si la diferencia entre calificadoresno es mayor de medio punto, si es así, la calificación del tramo será el promedio.Varios grupos de calificadores se calibran entre sí; si el promedio de tres gruposdistintos de calificadores para el mismo tramo no varía en más de medio punto, secuenta con un equipo de calificadores.

Índice de servicio. Decir lo anterior es más fácil que hacerlo, para evitar lasubjetividad es preferible usar equipos para medirlo. La gestión, administración omanejo de los pavimentos requiere de sistemas de evaluación más confiablesrepetibles y precisos. Existen algunos aparatos o equipos para realizarevaluaciones de las condiciones superficiales del pavimento y sus medicionespueden correlacionarse con la escala del 0 al 5 ya descrita, en el caso de que seusen equipos se obtiene un Índice de Servicio Actual o ISA.

Concepto de número estructural

La ecuación de diseño o su nomograma proporciona el espesor en pulgadas decada una de las capas de pavimento en términos de un número estructural (SN).El espesor total del pavimento requerido arriba de la capa subrasante correspondea la suma de los espesores reales de las capas (Di), multiplicados por coeficientesde equivalencia estructural (ai) obtenidos de la experimentación en la prueba decarretera para diferentes tipos de materiales y que depende básicamente de sumódulo de elasticidad, pero existen correlaciones con otros índices como CBR, R,etc. El coeficiente de equivalencia estructural para las capas de suelosestabilizados por compactación cuya resistencia puede variar en función de sucontenido de agua, se multiplica a la vez por un coeficiente de ajuste por eficiencia

en cuanto a facilidad de drenaje del material (m i), una capa con gran capacidad dedrenaje tendrá un coeficiente muy alto, del orden de 1.4, mientras que en unapobremente drenada será bajo, del orden de 0.4. Las capas de carpeta deconcreto asfáltico no se multiplican por el coeficiente de drenaje (m=1), ya que sesupone que no son afectadas por el agua. La siguiente ecuación expresa loanterior:


58/77



SN = SN1 + SN2 + SN3 = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m3

∑

SN = Número estructural requerido arriba de la capa

D1, D2, D3 = Espesores reales de las capas de carpeta, base y subbase

a1, a2, a3 = Coeficientes estructurales correspondientes a las capas anteriores

m2, m3 = Coeficientes de drenaje correspondientes a las capas granulares

En la ecuación sólo figuran las tres capas que son comunes para la mayoría de lasestructuras de pavimentos flexibles pero pueden ser más y se pueden incluircapas de materiales estabilizadas con emulsiones asfálticas, cemento Portland ocal, entre otros muchos productos; para estos materiales la selección de loscoeficientes estructurales y de drenaje puede ser más compleja y cuidadosa. En loreferente al curso, sólo se tocará lo relativo a pavimentos flexibles.

Sistema estructural multicapa y cálculo de los espesores Di reales


59/77



Cuando D y SN aparecen con un asterisco significa que son los valorescorrespondientes a los espesores reales, Es decir, a los redondeados a la mediapulgada más próxima o a espesores mínimos recomendados.

Rangos de variación comunes para los coeficientesestructurales, ai

Carpeta de concreto asfáltico 0.2 a 0.4Base hidráulica 0.06 a 0.14Subbase 0.06 a 0.14

El manual para diseño incluye algunas correlaciones para obtener los coeficientesestructurales (ai) a partir de diferentes parámetros de resistencia y para varios

tipos de materiales, que se presentan enseguida:

Coefici

Documents

6_Diseño de Pavimentos UNAM - AASHTO