manual de diseño de paviementos

7/23/2019 manual de diseo de paviementos

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CAPITULO 1:

INTRODUCCIN

1.1 Introduccin

En la ingeniera de pavimentos se han incorporado nuevos conceptos como esfuerzos,deformacin, mdulo elstico, comportamiento resiliente, etc. que deber ser conocidos por ellector. En el presente captulo se definirn algunos de estos conceptos y los otros sernexplicados en captulos especiales.

1.2 Estructura del Pavimento Asfltico

La estructura que se apoya sobre el terreno de fundacin o subrasante, y que esta conformadopor capas de materiales de diferentes calidades y espesores, que obedecen a un diseoestructural, se denomina pavimento. La estructura del pavimento est destinada a soportar lascargas provenientes del trfico.

Tradicionalmente, los mtodos de diseo de pavimentos, han sido empricos; es decir, que laexperiencia representaba un papel importante. Se requera que el ingeniero tuviese muchos aosen el rea para, de alguna manera, poder interpretar los resultados de las investigaciones de

campo y realizar el diseo.

Los pavimentos asflticos estn conformados por una carpeta asfltica apoyada generalmentesobre dos capas no rgidas, la base y sub base. No obstante puede prescindirse de cualquiera deestas capas dependiendo de las necesidades particulares del proyecto.La distribucin tpica delas capas que conforman la estructura del pavimento se grafican en la figura 1.1.

Terreno de fundacin

Sub bbaassee

Base

rasante

subrasante

Terreno de fundacin sin compactar

Figura 1.1: Estructura Tpica de Pavimentos Asflticos

S. MINAYA & A. ORDOEZ

Difundido por: ICG - Instituto de la Construccin y Gerenciawww.construccion.org / [email protected]


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Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos Introduccin

La carpeta asfltica o capa de rodamiento proporciona una superficie uniforme y estable altrnsito, de textura y color adecuado, que debe resistir los efectos abrasivos provenientes deltrnsito y del medio ambiente. La nueva Gua de Diseo emprico-mecanstico AASHTO 2002recomienda que el mdulo elstico de la carpeta se evale con el Mdulo Complejo Dinmico,E*, que ser detallado en los siguientes captulos. Sin embargo, podemos mencionar que la

carpeta es una capa muy rgida con valores altos de mdulo. El mtodo de diseo AASHTO 1993considera como parmetro de diseo de la carpeta asfltico el mdulo resiliente, para mezclasasflticas en caliente estos valores varan de 400,000 a 450,000 psi (28,000 a 32,000 kg/cm2) a20C.

La capa de base, generalmente granular, es una capa que se apoya sobre la sub base. La funcinde esta capa es transmitir los esfuerzos provenientes del trfico, a la sub base y subrasante. Losrequisitos de calidad de agregados de base son muy rigurosos. Esta capa est conformada porgrava chancada, compactada al 100% de la mxima densidad seca del ensayo proctor modificado.El mdulo elstico de la base se evala con elmdulo resiliente, MR. Una base granular con

CBR del 100% tiene aproximadamente un valor MRde 30,000 psi (2,100 kg/cm2).

La sub base, es una capa que segn el diseo puede o no colocarse. Se apoya sobre lasubrasante y los requisitos de calidad de los materiales que la conforman son menos rigurosos, larazn de esto es que los esfuerzos verticales que se transmiten a travs de las capas depavimentos son mayores en la superficie y van disminuyendo a medida que se profundizan. Lasub base es la capa de material seleccionado, ms profunda de la estructura del pavimento, raznpor la que los materiales que la conforman cumplen requisitos menos rigurosos. El mdulo elsticode la sub base se evala con elmdulo resiliente, MR. Una sub base granular con CBR del 40%(CBR mnimo para sub bases granulares, segn las Especificaciones Tcnicas Generales para

Construccin de Carreteras EG-2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda yConstruccin, Oficina de Control de Calidad) tiene un MRde 17,000 psi (1,200 kg/cm2).

El terreno de fundacin puede estar conformado por un terrapln (caso de rellenos) o terrenonatural en el caso de cortes, para ambos casos, la cota geomtrica superior se denominasubrasante. El mdulo elstico asociado al terreno de fundacin es el mdulo resiliente, esteparmetro ha sido ampliamente investigado por las diferentes agencias de transportes de losEstados Unidos, correlacionndolo con el CBR.

En los siguientes captulos se detallarn los mtodos que permiten determinar adecuadamenteeste valor. Pero podemos mencionar, que el CBR de suelos compactados (como es el caso deterraplenes) y de suelos granulares densos (como el conglomerado de Lima) estn asociados al100% de la mxima densidad seca del proctor modificado; sin embargo, el CBR de subrasantesarenosas y limo arcillosas no puede asociarse a este valor, porque su densidad de campo estmuy por debajo de la mxima densidad seca y su humedad natural es mayor que el ptimocontenido de humedad. En este ltimo caso el CBR se obtiene de muestras inalteradas1.

1

A. Ordez y S. Minaya, CBR de Subrasantes Arenosas y Limoarcillosas. 11 CILA 2001 Lima; XIII CongresoNacional de Ingeniera Civil, Puno 2001; IV Congreso Ecuatoriano de Mecnica de Suelos e Ingeniera Geotcnica,Guayaquil 2001.

S. MINAYA & A. ORDOEZ 2



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1.3 Comportamiento Elstico

El parmetro que evala las deformaciones ante cargas estticas es el Mdulo Elstico E. Elmdulo elstico relaciona los esfuerzos aplicados y las deformaciones resultantes. Un ejemplo esla zapata, el nivel de esfuerzos aplicados al suelo a travs de la zapata es mnimo lo que originar

que el suelo se deforme, pero esta deformacin no lo llevar a su condicin de falla.

La teora elstica permite determinar el mdulo elstico del suelo mediante ensayos de campo ylaboratorio, como en ensayos de compresin edomtrica, triaxial, CBR, placa de carga entre otros.

En un ensayo triaxial, a una muestra de suelo se le aplica un confinamiento promedio inicial (c)para luego aplicarle el esfuerzo axial q.

La presin transmitida al suelo es permanente y baja, lo que llevar a que la deformacin seaelstica. Grficamente existente una relacin lineal entre la presin transmitida y la deformacin, lapendiente de la recta mostrada es el mdulo elstico. Para el caso de cimentaciones elasentamiento permisible es de 2.5 cm.

E

a

e

q

Carga estticapermanente

q

Donde:

c Esfuerzo de confinamientoq Presin axiale Deformacin elstica

a

Deformacin axial

Figura 1.2: Compor tamiento elstico

Es posible extender la teora elstica a los ensayos de C.B.R. utilizando los resultados de laprueba de carga asociados a asentamientos caracterstico de 0.1 pulgada. Para ello, se deberutilizar la solucin que ofrece la teora elstica para el clculo de asentamiento que ocurre cuandose tiene una superficie circular rgida cargada sobre un medio semi-infinito (Poulos y Davis, 1974).

=/2 (1-2) pr/E

c

Ensayo delaboratorio

Terreno de fundacin




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donde:

: Asentamiento

: Relacin de Poissonp : Presin aplicada

r : Radio del rea cargadaE : Mdulo elstico

Considerando un asentamiento caracterstico de 0.1 pulgada; un valor de =0.40; radioequivalente a un rea circular cargada de 3 pulg2y la presin aplicada en funcin del valor CBR,se obtienen las siguientes relaciones2:

E = 139.7CBR ; E en libra/pulg2

E = 9.83CBR ; E en kg/cm2

Entonces, es posible obtener valores de mdulos elsticos, E a partir del valor CBR asumiendoun comportamiento del medio como elstico, uniforme e isotrpico.

1.4 Comportamiento Elasto-Plstico

En pavimentos la carga transmitida es mvil, es decir, el suelo experimenta ciclos de carga ydescarga. Para un mejor entendimiento se analizar el caso de un ciclo (1 carga y 1 descarga).

Cuando el vehculo se aproxima al punto de anlisis A, el terreno de fundacin se empieza adeformar, esta deformacin se hace mxima cuando el vehculo se encuentra exactamente sobreel punto A, en ese momento conocemos la deformacin total. Sin embargo, cuando el vehculo sealeja el suelo trata de recuperar su posicin inicial pero no lo consigue. La deformacin norecuperable se denomina deformacin plstica y la deformacin recuperable es la deformacinelstica. El suelo ha experimentado plastificacin.

2A. Ordez y S. Minaya, CBR de Subrasantes Arenosas y Limoarcillosas, 2001.

A

Terreno de

fundacin

Pavimento

Veloc.

tiempo

Carga mvil, q




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Cuando la carga aplicada es lenta, el mdulo resiliente, Mr, se acerca al mdulo elstico, E. Elensayo de mdulo resiliente se realiza para las condiciones a las que estar sometida la va.

q

deformacin

v 80 KPH v = 0

Mr E

Mr 10 E

1.6 Proyectos de Investigacin

En el ao 1987 en los EE.UU. se destin 150 millones de dlares para un proyecto deinvestigacin que agrup especialistas de diferentes reas, denominado SUPERPAVE,SuperiorPerformance Pavement. Este proyecto pretenda reemplazar las metodologas empricas,utilizadas hasta entonces, con metodologas mecansticas; es decir, aquella que utiliza losconceptos de la mecnica estructural.

El proyecto abarc la evaluacin de los agregados y ligantes asflticos. La fortaleza de estemtodo radica en la apropiada evaluacin mecnica del ligante asfltico. Con este mtodo elligante asfltico se evala a las temperaturas crticas o extremas de servicio y deja de evaluarsecon pruebas empricas, como el de penetracin.

Por otro lado, una gran parte de la red nacional se ubica por encima de los 3,000 m.s.n.m. y lospavimentos ubicados en estas zonas al sufrir el efecto de las bajas temperaturas se agrietan demanera prematura. El Stone Mastic Asphalt, SMA, de origen alemn de los aos 60 ha permitidodar solucin a los problemas de trnsitos pesados y climas fros, de las carreteras en Europa yltimamente en los EE.UU. y Canad.

El concepto de diseo SMA se basa en una estructura granular donde predomina el contactopiedra-piedra el mismo que le provee de alta resistencia cortante, baja deformacin permanente orutting y considera un buen porcentaje de ligante que le da una excelente durabilidad. Lascaractersticas del comportamiento mecnico de la mezcla asfltica se alcanzan utilizando unagranulometra incompleta (gap-graded aggregate) combinada con fibra y/o polmerosmodificados y un mayor contenido de ligante. El comportamiento del SMA es actualmentecalificado en los EE.UU. y Canad como de excelente bajo trfico pesado e intenso y climas fros,bajo costo de mantenimiento y una duracin que alcanza los 30 aos de vida de servicio.

Recientemente, las metodologas mecansticas se han extendido en su aplicacin, al diseoestructural del pavimento, incorporando los conceptos de la teora elstica. El mtodo de diseoAASHTO 2002 permite evaluar la estructura de pavimento en funcin de los esfuerzos




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transmitidos, las deflexiones generadas y el aporte estructural de cada capa que compone laestructura.

1.7 Esfuerzos ms Importantes producidos en la Estruc tura del Pavimento Asfltico

La estructura tpica del pavimento en nuestro medio est formada por carpeta asfltica y capas dematerial seleccionado colocadas sobre subrasante compactada y subrasante natural, el objetivoes distribuir las cargas provenientes del trnsito, de manera que las presiones verticales a nivelde fundacin sean menores a las admisibles por la estructura del pavimento.

La llanta no slo genera esfuerzos verticales sino tambin esfuerzos horizontales. En unaestructura tpica de pavimento (carpeta asfltica, base y sub base granular) los esfuerzoshorizontales se disipan a travs de la carpeta asfltica, pasando de un valor positivo en lasuperficie a uno negativo en su fibra inferior. Los esfuerzos as generados producen fisuras queluego se reflejarn en la superficie. La figura 1.6 muestra la distribucin de esfuerzos horizontales

(H) y verticales (V) de pavimentos tpicos.

Dos de las principales fallas que se producen en el pavimento estn asociadas a lasdeformaciones excesivas a nivel de la sub-rasante, reflejando el comportamiento del terreno defundacin y la deformacin por traccin, asociado al agrietamiento.

Carpeta

Basegranular

(+)-

v

H

Sub basegranular

Suelocompactado

Fundacin

Figura 1.6: Esquema de la Distribucin de Esfuerzos en Pavimentos Tpicos

El esquema de distribucin de esfuerzos en una estructura de pavimentos con base y/o sub baseestabilizada se muestra en la figura 1.7. La carpeta asfltica est sometida solamente a esfuerzos

de compresin, mientras los esfuerzos de traccin son absorbidos por la base estabilizada.




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Carpeta

BaseEstabilizada

Subbase

Fundacin

(+)

- H

Figura 1.7: Distribucinde Esfuerzos enPavimentoscon Base y/o Sub BaseEstabilizada.

Desde este punto de vista el ensayo de traccin indirecta y el respectivo parmetro como es elmdulo de resiliencia no representa el comportamiento mecnico de la carpeta asfltica, as, unensayo de compresin confinada cclica ser representativo del comportamiento mecnico.

Witczak y otros, de la Universidad de Arizona, proponen evaluar el Mdulo Dinmico Complejo,obtenido de ensayos de compresin triaxial cclico. La Gua de Diseo de Pavimentos AASHTO2002 recomienda el uso de este parmetro. El mdulo dinmico, E* tambin ha surgido como elprincipal candidato para el Simple Performance Test Superpave, que predice las deformaciones

permanentes y agrietamientos fatiga en pavimentos asflticos[64].


Difundido por: ICG - Instituto de la Construccin y Gerencia

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