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UNIVERSIDAD JOSE CARLOS MARIATEGUI

PAVIMENTOS



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C U R S O : P A V I M E N T O S : M E T

O D O D E L I N D I C E D E G R U P O P A R A E

L D I S E Ñ O D E E S P E S O R E S D E P A V I M E N T O S F L E X I B L E S | 0 7 / 1 1 / 0 9

INTRODUCCION ..................................................... Pag. 2

METODOS PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS ..................................................... Pag. 3

METODO INDICE DE GRUPO

FACTOR DE CARGA

APLICACIÓN DE METODO

SISTEMA DE CLASIFICACION AASHTO

EJEMPLOS DE APLICACION

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CONTENIDO



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METODO DEL INDICE DE GRUPO PARA LA OBTENCION DEL ESPESOR EN PAVIMENTOSFLEXIBLES

I. INTRODUCCION:

Este método es un método de diseño clásico empírico a que ah sido

reemplazado por los métodos de diseño de las nuevas tendencias yaque se emplean factores de seguridad muy altos , lo que significaespesores excesivos para necesidades verdaderas de la vía estábasado principalmente el índice de grupo del suelo y el tráfico estemétodo surgió debido al rápido deterioro de las carreteras desarrollandoeste método con la utilización del índice de grupo del suelo como unaherramienta de clasificación junto con la capacidad de soporte paraobtener así el espesor del pavimento.

El gran incremento en frecuencia y tonelaje de los transportes por carretera obligo a abandonar el sistema antiguo de fijar el espesor de losafirmados con la generalización rutinaria de las instrucciones oficiales oel criterio formado en la experiencia del proyectista. Se fuerondelimitando las variables que jugaban en el éxito o fracaso de lascalzadas y como consecuencia, se sintió la necesidad de unacompleta información previa para evaluar estas variables que jugabanen el éxito o fracaso de las calzadas y como consecuencia se sintió con

la necesidad de una completa información previa para evaluar estasvariables con toda la aproximación posible. Con ello se pudo llegar a ladeterminación del espesor del firme que corresponde a unasdeterminadas condiciones de suelo, humedad, temperatura ycaracterísticas de tráfico, y la nueva técnica se fue acercando a laseguridad y a la economía con los métodos empíricos de beneficiosaevaluación, desde las toscas ´´ reglas del pulgar´´ hasta los precisosábacos del estabilometro.

Larga es la serie de los métodos para el cálculo de espesor de afirmadoscon pavimento flexible:



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Solamente en EE.UU 20 departamentos de carreteras han desarrolladoprocedimientos diferentes y al pasar el tiempo se han desarrolladonuevos diseño y nuevas tendencias como el método del AASHTO 1993teniendo ya varias modificaciones para la mejor obtención de losespesores de los pavimentos flexibles se desarrollaron en base a las

características físicas del suelo, en la penetración en las placas de cargao en los ensayos triaxiales.

Podemos decir que uno de los métodos clásicos de mayor difusión es elde california, determinante del CBR, índice de la resistencia del suelo.

En primer lugar hay una gran diferencia entre a superficie de contactode la carga, en la calzada y en el ensayo, y si bien esto no falsea elresultado para suelos de arcilla cohesiva, en cambio en terrenos

arenosos da valores muy inferiores a la realidad. Otro de los fallos de estemétodo se presenta en las arcillas finas de muy poca permeabilidad ypor tanto muy lenta inhibición; en ellas el periodo de inmersión de laprobeta puede no ser suficiente para alcanzar la humedad a quellegue a estar sometido el suelo en obra.

Estas imperfecciones del ensayo CBR hacen que cada día gane másadeptos el método del estadiómetro , un ensayo triaxial de sistema

cerrado, debido a Mr. Hveem Director del laboratorio de californiaHigway División, en el que las solicitaciones de probeta y suelo son másafines.

A diferencia de los diferentes métodos existentes que requieren decostosos equipos de laboratorio existen otros métodos para ello es queestá basada nuestra exposición en la presentación de este método quesolo necesita para su medio un reducido material de ensayo ademássirven de complemento.

II. LOS MÉTODOS DE DISEÑO PARA PAVIMENTOS PUEDEN SER DE 3 TIPOS:

Empíricos Semi-empíricos Empírico-Mecanicistas.

Los Empíricos:

Fueron los primeros en ser desarrollados, ejemplo de estos son: CBR, eÍndice de Grupo.

Los Semi-empíricos:



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Como los del Instituto del Asfalto, el de la AASHTO, corresponden a undesarrollo posterior donde se incluye el análisis de la fatiga y unmodelo de daño, pero con ajustes para considerar elcomportamiento real.

Los Racionales o Mecanicistas:

Aplican la teoría del sistema de capas elásticas para analizar larespuesta a las cargas impuestas y establecer los materiales yespesores necesarios para soportarlas adecuadamente, el sistema decapas elásticas se resuelve con la ayuda de la computadora.

III. METODO DEL INDICE DE GRUPO

Este método se basa en las características físicas del material yprincipalmente en su composición granulométrica y el grado deplasticidad.

Para clasificar un suelo, según este método, bastara, efectuar el análisis

mecánico y determinar los límites líquidos y plásticos del material.

El método del índice de grupo, debido a Mr steele del Higway ResearchBoard, define la resistencia del suelo por un índice de calidades.

Recordaremos la expresión de su formula definiendo sus factoresdeterminantes que dependen del porcentaje en peso, P, que pasa por el tamiz numero 200 (0.074 mm) y de los límites de Atterberg: Límitelíquido, LL, e índice de plasticidad, IP:

Valor de a:

Si p < 35 % a = 0Si 35 % < p < 75 % a = p - 35Si 75 % < p a = 40.

Valor de b:



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Si p < 15 % b = 0Si 15 % <p < 55% b = p-15Si 55 % <p b = 40

Valor de c:

Si L L < 40Si 40 < L L <60Si 60 < L L

Valor de d:

Si IP < 10Si 10 < I P < 30

Si 30 < I P

Conocido para cada caso el tráfico diario previsible pesado (seprescinde de los coches de turismo) y el índice de grupo del suelo,pueden determinarse respectivamente, el espesor de la capa derodadura (incluyendo pavimento y parte superior de la base) y elcimiento (incluyendo el resto de la base y la súbase).

La fijación de espesores se lleva a cabo con el grafico de la figura.

En este método se ha considerado que el clima es el clima americanomedio, pero no se tienen en cuenta los efectos de penetración de lahelada, que es motivo de dimensionamiento por separado y llevageneralmente a espesores superiores. Se supone un buen drenaje y una



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compacidad en la sub rasante no inferior al 95 por 100 del proctor normal.

Respecto a los efectos del trafico es preciso considerar que la máximacarga por rueda que admite nuestro código de circulación es superior a

las 4.5 ton, es pues preciso tener en cuenta por ello una corrección conaumento de la raíz cuadrada del cociente de las cargas.

Las cargas debe quedar reducida la máxima por eje a 12 tn, según fijael código, o sea 6 x cada rueda, pues aun en el caso de lasautorizaciones especiales a que se refiere el artículo 222, con el empleode ruedas gemelas, en numero de 8 para los ejes de gran peso quedebe exigirse, se conseguirán menores presiones sobre el pavimento,.Fijada la máxima carga por rueda en 6 toneladas, el aumento sobre el

espesor de afirmado que nos da el grafico, será del 15%.

De la comparación de este método con el del CBR han resultadonotables divergencias, pudiendo afirmarse que, en general, sonsuperiores los espesores que se obtienen dimensionando por el índice degrupo, con un aumento de 12 a 15 cm.Queda, pues, la aplicación de este método como contraste con losresultados obtenidos por el CBR, y así está considerando en las

recomendaciones de laboratorio del transporte, en las que se prescribepara los casos en que se hagan ensayos california in situ. En estos seaceptara el valor obtenido para el espesor, siempre que supere el 75%del que el índice de grupo. Si fuera inferior a este porcentaje es precisoasegurarse de que se ha operado con la máxima humedad del terreno,y en tal caso puede adoptarse el menor de los dos valores siguientes: el125 % del espesor es por el CBR o el 75% de que da el índice de grupo.Se tomara el valor total de este en los casos en que no se hizo el ensayocon la máxima humedad.

III.1 EL FACTOR DE CARGA:

En las normas de la dirección general de carreteras, para estudios de lascondiciones del terreno, se incluye entre datos de suelos el factor decarga base entre los datos de suelos el factor de carga, base de otrométodo empírico que estimamos de mayor exactitud que el antesdescrito.Se ha deducido este factor estudiando la correlación entre las

características de identificación de un suelo y su índice de CBR a travésdel gran numero de ensayos realizados en los últimos años en oslaboratorios franceses.



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Se partió para ello de los suelos finos que se definen como los que tienenmás de un 75%, que pasa por el tamiz numero 40, ósea más de un 75%de suelo mortero según la designación americana .

Se jugó con los límites de Atterberg para conseguir la correlación,revelando un concienzudo análisis estadístico que existe ciertaproporcionalidad entre el valor y la inversa del producto del límitelíquido y el índice de plasticidad. Se establece así la función:

En el laboratorio central de Ponts et Chaussees de Paris se dibujaron

diagramas situando los puntos afijos de cada suelo ensayado por susdos coordenadas: índice de CBR y valor Z. En la siguiente figura tenemosuno de estos diagramas con 100 puntos correspondientes a otros tantossuelos de diferente naturaleza.

Se observa en el que los puntos, en general no se dispersan mucho dela bisectriz, y dados los valores numéricos correspondientes a abcisas yordenadas pudo establecerse la formula:

Con un error medio de 33%

Existen sin embargo dos grupos de puntos que se salen claramente deese ángulo central. Uno de ellos, el grupo I con valor Z, grande y CBR,pequeño, que corresponde a suelos arenosos, pero ya indicamos al



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principio de este trabajo que el ensayo california da valores inferiores ala realidad para las arenas.

El grupo II con CBR grande, y Z muy pequeño representa suelos arcillososde gran finura, pero también dijimos que para este tipo de terrenos los

índices del ensayo son superiores a aquellos con que puede contarse enobra, porque no se llega a la humedad a que puede estar sometido elsuelo en el campo. Vemos pues que en ambos casos la ley fijada noslleva a resultados más concordantes con la realidad.

Se ha fijado para Z el valor máximo 10, ya que valores superiorescorresponden a arenas finas, suelos pulverientos limpios y de muy poca oninguna plasticidad, constituyen estos excelente material para bases ybien compactados puede asignárseles un índice CBR igual a 20.

Así, pues y en el caso de suelos finos puede obtenerse de un métodorápido un valor aproximado del índice del CBR, correspondiente alóptimo Proctor modificado; se le denomina factor de carga, F, y sedetermina por las reglas siguientes:

1º Para suelos Plásticos (IP>5)

Adoptando como valor máximo 20, aunque la formula de un valor superior.

2º Para los demás suelos se admitirá uniformemente:

F=20

En el siguiente diagrama, en el que se ha llevado sobre los ejes deabscisas y ordenadas los espesores de afirmado calculados a partir delfactor de carga y del índice CBR, para los mismos suelos representadosen la figura antes mostrada , da una idea más satisfactoria de lacorrelación de ambos métodos, salvo en los dos grupos ya citados, paralos que naturalmente vuelve a presentarse la discordancia.

Para completar el método, se busco para su aplicación para suelos de

granulometría gruesa, se prosiguió el análisis estadístico en una largaserie de ensayos de suelos de este tipo, contratados también con losresultados del ensayo california.



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Se obtuvieron así unas formulas que dan el valor F de un suelo enfunción del que corresponde a su parte final, o sea su mortero, según ladefinición citada. Si llamamos Fm al factor de carga del mortero y m alporcentaje de este contiene el suelo a estudiar, las formulas que deben

aplicarse son:

Si m > 25 % F = Fm (2.5 - )

Si m < 25 % F = 40 –

El factor de carga nos proporciona valores más aproximados al índiceCBR en el caso de suelos finos. Para los suelos gruesos de valoresinferiores a los de este índice, con lo que quedamos del lado de laseguridad al dimensionar el espesor del firme. En algunos casos se ahampliado a los factores obtenidos coeficientes de correccióndependientes del tamaño medio de los granos o de su configuraciónangulosa o redondeada, condición que también influye en lacapacidad de carga a la mayor o menor fricción interna .

Ahora bien, es preciso olvidar que los valores del factor de carga se han

deducido por correlación con el ensayo California para la capacidadóptima del proctor modificado, y habrá que hacer la reducción quecorresponda a la compacidad que se vaya a exigir en obra. Se aplicanpara ello los siguientes coeficientes:



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Para el 93% del proctor modificado 0.60 Para el 90% del proctor modificado 0.40 Para el 85% del proctor modificado 0.25

Lo que nos muestra el gran descenso en la resistencia de un suelo candodisminuye la compacidad.

Asignando un valor definitivo al factor F, el espesor de un firme decarretera puede calcularse con bastante aproximación por la formula:

En la que P es la carga máxima por rueda, expresada en toneladas,Pueden utilizarse también los ábacos americanos del CBR, eligiendo enla familia de curvas la que corresponde al caso, de acuerdo con elvolumen de tráfico, carga por rueda, precipitación anual y profundidadde la capa freática.

Resaltemos la utilidad del método que acabamos de definir, que conun equipo mínimo de laboratorio puede conducirnos a valoresbastante aproximados de la resistencia de un suelo y, como

consecuencia, del espesor del firme que debe establecerse sobre él. Por ello no dudamos será de gran aplicación en nuestro país, en la nuevava a iniciarse con la introducción de la técnica americana

IV. PARA SU APLICACIÓN SE DEBEN CUMPLIR LAS SIGUIENTESCIRCUNSTANCIAS:

1. Se debe determinar: Índice de grupo del terreno de fundación.

2. Carga de rueda, se considera 9,000 lb (4,086 Kg).

3. Terreno de fundación, debe ser debidamente compactado ahumedad óptima y densidad máxima mayor al 95% de la densidadmáxima obtenida por el método Standard AASHTO T-99.



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4. Para sub base y base la compactación no será menor del 100% de sudensidad máxima.

5. Tipos de transito.

Este método clasifica el tránsito de la siguiente forma:

– Trafico liviano: Aquel que tiene un tránsito comercial de 50 vehículos

diarios.

– Trafico mediano: aquel cuyo tránsito comercial está comprendidoentre 50 y 300 vehículos diarios.

– Transito pesado: Aquel que tiene un tránsito comercial mayores de

300 vehículos por día.



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V.

Este es el sistema del Departamento de caminos de U.S.A, introducido e1929.Adoptado por la ´´American Association of State Higway Officials entreotras.Es de uso especial para la construcción de vías, en especial para manejode sub rasantes y terraplenes.



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VI. EJEMPLOS DE APLICACIÓN

1. Diseñar el pavimento flexible para una carretera que unirá la Ciudad de Jaencon la Ciudad de San Ignacio en el norte del Perú. El terreno de fundación

está constituido por:Un suelo arcilloso A-6.

El tránsito que se prevé es de 50 camiones y autobuses diarios, de los cuales,aproximadamente, un 10% tendrán cargas por rueda de 9,000 lb (4,086 Kg).

El índice de grupo del material del terreno de fundación es 7. Se recomiendacolocar una capa de rodamiento de concreto asfáltico de 7.5 cm (3") deespesor.

SOLUCIÓN:

De acuerdo a los datos, el tráfico es pesado y para un terreno de fundación,cuyo Índice de grupo es 7, se tendrá, de la Figura que se muestra, la siguienteestructura.

Si en lugar de la sub base de material seleccionado, se colocara una capaadicional de base granular:



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VII. ALGUNOS ESPESORES PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES PARA DIFERENTES INDICES DEGRUPO:

2. Suponga que un material A-6 tiene 55% que pasa el tamiz de 75 mm (#200),un

LL de 40 y un IP de 25, entonces:

Índice de grupo = (55-35)[0.2+0.005(40-40)]+[0.01(55-15)(25-10)]

= 4+6

= 10

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