DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 1
DISEÑO DE UN PAVIMENTO PARA LA ESTRUCTURA VIAL, DE LA VÍA CONOCIDA COMO “EL KILÓMETRO 19”, DESDE EL K2+000 AL K2+500, QUE
COMUNICA A LOS MUNICIPIOS DE CHIPAQUE - UNE, EN EL DEPARTAMENTO DE CUNDINAMARCA
MANUEL GUILLERMO POVEDA PENAGOS FAUSTO ALEJANDRO BERNAL ROJAS
ANDRÉS JULIÁN MARÍN ZAMORA
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA
ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE PAVIMENTOS BOGOTÁ D.C.
2014
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 2
DISEÑO DE UN PAVIMENTO PARA LA ESTRUCTURA VIAL, DE LA VÍA CONOCIDA COMO “EL KILÓMETRO 19”, DESDE EL K2+000 AL K2+500, QUE
COMUNICA A LOS MUNICIPIOS DE CHIPAQUE - UNE, EN EL DEPARTAMENTO DE CUNDINAMARCA
MANUEL GUILLERMO POVEDA PENAGOS FAUSTO ALEJANDRO BERNAL ROJAS
ANDRÉS JULIÁN MARÍN ZAMORA
Trabajo de grado para optar al título de Especialista en Ingeniería de Pavimentos
Director del Programa JUAN CARLOS RUGE CÁRDENAS
Ingeniero Civil
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA
ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE PAVIMENTOS BOGOTÁ D.C.
2014
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DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 4
Nota de aceptación ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________
______________________________________ Director de Investigación
______________________________________ Asesor Métodológico
______________________________________ Jurado Bogotá D.C., diciembre de 2014
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 5
AGRADECIMIENTOS
Para Dios, por permitir día a día cumplir nuestros sueños de realizar un
Postgrado profesional. Quiero dirigir una mirada al cielo, para darle gracias a él, por
estar siempre presente en los momentos buenos y difíciles a lo largo de este año de
estudio y de esta investigación.
A nuestras familias y seres más queridos, especialmente a nuestros padres y
hermanos quienes con sus consejos y energía positiva permitieron que en ningún
momento decayéramos, soportando nuestra ausencia en lo pertinente a la vida social y
familiar.
A todos los docentes de la Universidad católica de Colombia que compartieron
sus conocimientos, haciendo posible nuestra formación profesional inculcándonos la
ética, la idoneidad, la lealtad y el espíritu investigativo, base para el éxito de nuestra
profesión.
A nuestros amigos y compañeros que trabajaron con nosotros durante el
proceso de formación académica, colocando lo mejor de su energía y empeño por el
bien de nuestra formación profesional.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 6
CONTENIDO
pág. INTRODUCCIÓN 12 1. GENERALIDADES DEL TRABAJO 14
1.1 Localización del proyecto 14 1.2 Descripción del proyecto 15
1.2.1 Planteamiento del problema 16 1.2.2 Pregunta de investigación 16
1.3 Objetivos 17 1.3.1 Objetivo General 17 1.3.2 Objetivos Específicos 17
1.4 Justificación 17 2. MARCOS DE REFERENCIA 18
2.1 Marco teórico 18 2.2 Marco conceptual 18 2.3 Marco legal 19 2.4 Marco ambiental 19
3. METODOLOGÍA 20 3.1 Enfoque 20 3.2 Tipo de investigación 20 3.3 Técnicas e instrumentos 20 3.4 Fases de la investigación 20
4. ESTUDIO DE SUELOS 22 4.1 Tráfico promedio diario 25 4.2 Método INVÍAS 27 4.3 Diseño método SHELL 35
4.3.1 Programa Weslea 41 4.3.2 Programa Windepav 44
4.4 Diseño método el Instituto del Asfalto 46 4.4.1 Principios de diseño 47
4.5 Diseño método AASTHO 59 5. ASPECTOS ECONÓMICOS 66
5.1 Presupuesto según las diversas metodologías 66 5.2 Alternativa de los autores 67
6. ANÁLISIS Y RESULTADOS 69
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pág. 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 70 REFERENCIAS 71 ANEXOS 72
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LISTA DE TABLAS
pág. Tabla 1. Tráfico promedio diario 25
Tabla 2. Factor equivalencia 26
Tabla 3. Número de ejes carril de diseño 27
Tabla 4. Categoría de la vía 27
Tabla 5. Periodo de diseño 28
Tabla 6. Clasificación de vehículos 28
Tabla 7. Cargas máximas 29
Tabla 8. Rangos de tránsito 29
Tabla 9. Factor de distribución 30
Tabla 10. Regiones climáticas 30
Tabla 11. Entornos de la resistencia 30
Tabla 12. Profundidades mínimas de exploración 31
Tabla 13. Categorías de la subrasante 31
Tabla 14. Convenciones para identificación del material 32
Tabla 15. Valores coeficiente estructural 33
Tabla 16. Valores coeficiente de drenaje 33
Tabla 17. Rangos cartas de diseño 33
Tabla 18. Propiedades del concreto asfáltico 35
Tabla 19. Tipo de cemento asfáltico 35
Tabla 20. Determinación módulos de los granulares 37
Tabla 21. Valores típicos huang/93 38
Tabla 22. Deformación por fatiga 38
Tabla 23. Deformación por ahuellamiento 39
Tabla 24. Criterios de diseño 49
Tabla 25. Tipo de cemento asfáltico a emplear en mezcla en caliente 50
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 9
pág. Tabla 26. Valores típicos de K 52
Tabla 27. Confiabilidad 59
Tabla 28. Desviación estándar, So 60
Tabla 29. Valores coeficientes de drenaje y estructurales 60
Tabla 30. Estructura 61
Tabla 31. Determinación SN efectivo 63
Tabla 32. Presupuesto INVIAS 66
Tabla 33. Presupuesto SHELL 66
Tabla 34. Presupuesto Instituto del Asfalto 67
Tabla 35. Presupuesto AASHTO 67
Tabla 36. Presupuesto (propuesta de los autores) 68
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 10
LISTA DE FIGURAS
pág. Figura 1. Foto de localización del proyecto 14 Figura 2. Mapa de localización del proyecto 14 Figura 3. Marcos conceptuales 19 Figura 4. Fases de la investigación 21 Figura 5. Caracterización del suelo 22 Figura 6. Determinación CBR Apique 1 23 Figura 7. Determinación CBR Apique 2 24 Figura 8. Determinación carta de diseño 34 Figura 9. Determinación estructura de diseño 34 Figura 10. Distribución de cargas 36 Figura 11. Distribución de cargas 36 Figura 12. Ingreso de datos Weslea 41 Figura 13. Distribución de cargas 42 Figura 14. Distribución de ejes 42 Figura 15. Localización cargas 43 Figura 16. Resultado por ahuellamiento 43 Figura 17. Resultado por fatiga 44 Figura 18. Determinación de la capa granular y la carpeta asfáltica 44 Figura 19. Resultados óptimos de la capa granular y la carpeta asfáltica 45 Figura 20. Distribución de la presión de la carga de rueda a través de la
estructura de pavimento 46 Figura 21. Deformación del pavimento y esfuerzos de tensión y compresión
en la estructura del mismo 47 Figura 22. Configuración de carga del método del Instituto de Asfalto 48 Figura 23. Localización de las deformaciones unitarias consideradas en el
proceso de diseño 48 Figura 24. Distribución de cargas por capas 55 Figura 25. Distribución por ejes 55 Figura 26. Localización de cargas 56 Figura 27. Resultado final ahuellamiento 56 Figura 28. Resultado final por fatiga 57 Figura 29. Determinación de capas 57 Figura 30. Resultado final óptimo por ahuellamiento y fatiga 58 Figura 31. Verificación de la estructura por capas 61 Figura 32. Determinación SN efectivo 62
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 11
LISTA DE ANEXOS
pág. Anexo 1. Boletín diario del estado del tiempo 72 Anexo 2. Registro fotográfico de visita a campo 73 Anexo 3. Estudio de suelos 75
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 12
INTRODUCCIÓN Los municipios de Une y Chipaque pertenecen a la región oriente de
Cundinamarca la cual se encuentra ubicada al sur - oriente del departamento, limita por
el norte con la provincia del Guavio, por el sur y el oriente con el departamento del
Meta y por el occidente con Bogotá. En ella se concentra el 3.6% de la población total
del departamento. Es una región con alta vocación agrícola, razón por la cual los dos
municipios que comunica la vía en estudio necesitan un mejoramiento de la misma,
para disminuir los gastos de transporte y poder comercializar sus productos en la
central de abastos de Bogotá.
Siendo el transporte una variable de mucha importancia y que influye en la
economía de las regiones tanto rurales como urbanas, se hace necesaria una
adecuada planeación en la infraestructura vial para garantizar la mejora en la calidad
de vida de sus habitantes.
La serviciabilidad de una vía que depende directamente del estado del
pavimento, es la que contribuye al desarrollo de los sectores socio-económicos de las
regiones, debe estar acorde a una red vial eficiente que permita la comunicación entre
los diferentes actores rurales y urbanos.
En el diseño de pavimentos se deben incluir en la estructura vial las diferentes
características de los materiales a emplear en cada una sus capas definiendo los
espesores necesarios para asegurar un índice de serviciabilidad alto para su vida útil.
El diseño de una estructura vial en pavimento flexible es un contenido de un
estudio y de una investigación a raíz de los resultados obtenidos en los procesos de
construcción, recuperación operación y mantenimiento de vías pavimentadas.
A lo largo del trabajo se realizará una evaluación de tres métodos diferentes que
se utilizan para diseños de estructuras de pavimento, siguiendo los parámetros y
criterios empíricos, semi-empíricos y racionales con el fin de establecer una alternativa
estructural que sea aplicable a la vía objeto de estudio.
El propósito del trabajo es realizar una aplicación de los diferentes conceptos
técnicos y académicos vistos a lo largo del curso de la especialización, verificando y
comparando los parámetros empleados en cada uno de los métodos de diseño
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 13
utilizados, estableciendo las diferencias que se derivan al ser utilizados y que pueden o
no desarrollar resultados cuestionables o inesperados con relación al comportamiento
de la misma estructura.
Otro propósito del trabajo es ofrecer a futuros estudiantes, un material de
consulta que les permita conocer algunas formas y juicios que se deben considerar en
los diseños de estructuras con pavimento flexible.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 14
1. GENERALIDADES DEL TRABAJO
1.1 Localización del proyecto
El proyecto está localizado en el municipio de Chipaque, provincia de oriente en
el departamento de Cundinamarca.
Figura 1. Foto de localización del proyecto.
Fuente. Google Earth. (2014).
Figura 2. Mapa de localización del proyecto.
Fuente. Cartografia de Cundinamarca (2014).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 15
1.2 Descripción del proyecto La vía conocida como el “Kilómetro 19” que parte del Kilómetro 19 de la vía
antigua Bogotá - Villavicencio y que comunica a los municipios de Chipaque y Une en
el departamento de Cundinamarca, está localizada en el oriente del departamento,
contigua a la salida del túnel del Boquerón, atravesando la vía principal Bogotá -
Villavicencio, entre la salida del túnel en mención y el peaje que lleva el mismo nombre.
Esta vía es fundamental para el desarrollo de la región porque por ella se
transporta la gran mayoría de los productos agrícolas que son comercializados en la
central de abastos de Bogotá.
La vía se desarrolla por una topografía bastante escabrosa, con pendientes
fuertes y curvas de radio muy pequeño, atravesando una zona de coluviones.
La falta de mantenimiento oportuno y adecuado ha ocasionado deterioro en su
estructura vial. En algunos tramos se observa pérdida total de la carpeta asfáltica, en
otros además de la perdida de la carpeta asfáltica se han perdido las capas de base
granular y en otras la base granular y la subbase granular. También se evidencia
deterioro en las obras de drenaje como cunetas y alcantarillas, así como falta de
limpieza de la maleza y retiro de material producido por la erosión y el arrastre por
parte de las aguas lluvias.
El tramo vial “Kilómetro 19” es una vía de segundo orden cuya estructura está
conformada por 0.23m de material de subbase, 0.20m de material de base y 0.07m de
carpeta de rodadura, en varios puntos de este ramal se puede apreciar perdida de la
capa de rodadura debido a la falta de mantenimiento periódico y a la fricción ejercida
por los vehículos que transitan por el tramo vial, factores que han inducido disminución
del espesor de la misma, dejando a la intemperie la estructura restante (base granular).
Lo que se propone es buscar una alternativa de diseño que brinde durabilidad y
sea económicamente factible, ya sea mediante el diseño completo de la estructura o
con la implementación de un tratamiento superficial simple o de doble riego.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 16
1.2.1 Planteamiento del problema
La falta de recursos para el mantenimiento de las vías de segundo y tercer
orden, a nivel nacional, departamental y municipal, ha ocasionado el abandono por
parte de las entidades estatales, originando daños continuos e irreversibles en su
estructura.
Por este motivo se hace necesario buscar una alternativa que sea viable tanto
técnica como económica y de durabilidad, mediante la implementación de nuevas
tecnologías de materiales y de métodos para la conservación de la estructura.
Dicha problemática se ve reflejada en la vía conocida como “el Kilómetro 19”,
que parte del Kilómetro 19 de la vía antigua Bogotá - Villavicencio y que comunica a las
municipios de Chipaque y Une en el departamento de Cundinamarca, donde el
abandono del tramo en estudio ha ocasionado deterioro en toda la estructura vial,
afectando notoriamente la transitabilidad en el sector, factor que influye en forma
directa en los usuarios, dificultando el transporte de mercancías, y otras consecuencias
como son: aumento en el costo del mantenimiento automotor, aumento en los tiempos
de viaje, incremento considerable para la reparación de la vía, disminución de los
ingresos por turismo y aumento de las enfermedades bronco-respiratorias, así como un
atraso en el desarrollo de la región.
De acuerdo a la situación que ha llevado al deterioro de esta vía se hace
necesario realizar un diseño de una alternativa vial, económica, eficiente y duradera
para que sea aplicada de manera inmediata, para la vía conocida como “el Kilómetro
19”, que parte del Kilómetro 19 de la vía antigua Bogotá - Villavicencio y que comunica
a las municipios de Chipaque y Une en el departamento de Cundinamarca
1.2.2 Pregunta de investigación ¿Cuál diseño para la estructura vial, podría aplicarse en el vía conocida como
“el Kilómetro 19”, de la vía antigua Bogotá - Villavicencio y que comunica a las
municipios de Chipaque y Une en el departamento de Cundinamarca, que ofrezca
durabilidad y sea económicamente viable?
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 17
1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivo general
Diseñar la estructura de pavimento desde el k2+000 al k2+500 de la vía que
comunica los municipios de Une y Chipaque en el departamento de Cundinamarca.
1.3.2 Objetivos específicos
- Seleccionar la estructura más conveniente de acuerdo a los análisis
realizados a cada una de las diferentes estructuras calculadas por los distintos
métodos de diseño.
- Realizar diferentes tipo de diseño para la estructura vial de pavimento
flexible, utilizando los métodos INVIAS, AASHTO 93 y SHELL.
1.4 Justificación Este proyecto se enmarca dentro de la línea de investigación de materiales
avalada por la Universidad católica de Colombia, ya que al realizar dicho diseño, se
pueden seleccionar diversos materiales que contribuyen a obtener una estabilidad
duradera de la estructura vial y mejorar su comportamiento a través de su vida útil.
La vía que conecta los municipios de Chipaque y Une se encuentra en un estado
lamentable y ha frenado el desarrollo económico entre los habitantes que viven en los
alrededores de estos municipios. Para la gobernación de Cundinamarca es muy
importante invertir para el desarrollo de sus veredas, municipios, en este caso la
recuperación de la vía Chipaque-Une para un mejor desarrollo económico y una mejor
calidad de vida.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 18
2. MARCOS DE REFERENCIA
2.1 Marco teórico El dimensionamiento de una estructura para una vía y en particular para el
pavimento se fundamenta en el soporte de las cargas aplicadas por el tránsito y que
están dadas por las características del suelo y de los materiales que la componen. En
primer lugar hay que conocer la capacidad portante de la capa o de las capas sobre
las cuales se apoya la estructura del pavimento. Este valor será determinante para la
modelación de las diferentes alternativas de diseño que se puedan presentar o
evaluar. Uno de los ensayos universalmente aceptados para obtener la capacidad
portante es el CBR sumergido. Una vez obtenido el CBR de la subrasante se
propondrán las soluciones para su mejoramiento o estabilización dependiendo
igualmente del diseño geométrico e hidráulico de la vía y de las condiciones
geotécnicas de la zona.
Tanto para las capas de Sub-base granular como para las capas de la base
granular se deben adoptar los coeficientes estructurales de acuerdo a la normatividad
existente y se procederá a calcular los espesores para cada una de las capas
determinando su número estructural requerido para satisfacer las condiciones de
tránsito encontradas. Para establecer el valor del coeficiente estructural de la capa
asfáltica se establecerá el método que relaciona los valores de la elasticidad de la
mezcla asfáltica con el valor del coeficiente estructural.
2.2 Marco conceptual Para la vía Chipaque - Une, en Cundinamarca más conocida como el Kilómetro
diez y nueve (19), se va a proponer un diseño para la estructura vial que conecta estos
dos municipios y que a la vez beneficia a las familias que viven a los alrededores de
estos, para la gobernación, alcaldía, INVIAS es una obligación invertir en el desarrollo
de sus vías y municipios, para una mejor economía y mejor vivir para sus familias, en
la parte de la economía se puede fomentar el turismo y los productos agrícolas., Para
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 19
estos municipios seria una fuente de ingresos importantes para solventar los costos
del mantenimiento de las vías y para el desarrollo mismo del municipio.
2.3 Marco legal Este proyecto será realizado bajo la normatividad establecida por el instituto
nacional de vías (INVIAS) quien establece los criterios de diseño para estructuras de
pavimentos, AASHTO GUIDE FOR DESSIGNEN OF PAVEMENT ESTRUCTURES
1993 y las especificaciones IDU- ET-2005.
2.4 Marco ambiental Este proyecto estará condicionado bajo la normatividad ambiental establecida en
los esquemas de ordenamiento territorial (E.O.T) y la corporación autónoma regional
(CAR), según lo requiera.
Figura 3. Marcos conceptuales.
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 20
3. METODOLOGÍA
3.1 Enfoque
El enfoque que se llevará a cabo en este proyecto será de tipo cualitativo ya
que se basara en la recolección y análisis de datos que ayudaran a los integrantes
de este proyecto a identificar las características del suelo existente para así
desarrollar la alternativa de diseño que mejor se aplique a este sector.
3.2 Tipo de investigación
Este proyecto es de carácter descriptivo y analítico, puesto que el trabajo a
realizar se basara en la recolección de datos en el terreno donde una vez analizados se
podrá hacer una descripción detallada de las características de la sub-rasante de la vía
conocida como el Kilómetro 19 que ayudaran a determinar el diseño para este tramo
vial.
3.3 Técnicas e instrumentos Las técnicas e instrumentos a utilizar para el cumplimiento de los objetivos de
este proyecto serán mediante el análisis documental dado que el desarrollo del mismo
será condicionado bajo la normatividad contemplada en los manuales de diseño para
las vías nacionales, además de los resultados arrojados en los ensayos de laboratorio.
3.4 Fases de la investigación Este proyecto se desarrollará en dos fases; planeación y ejecución, en la primera
se desarrollará la propuesta y el anteproyecto, mientras que en la segunda fase se
realizarán las actividades que cumplan cada uno de los objetivos propuestos que nos
arrojaran como resultado el diseño de la estructura vial que mejor se aplique en el
sector.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 21
Figura 4. Fases de la investigación.
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 22
4. ESTUDIO DE SUELOS
Figura 5. Caracterización del suelo.
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 23
Figura 6. Determinación CBR Apique 1.
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 24
Figura 7. Determinación CBR Apique 2.
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 25
4.1 Tráfico promedio diario
Tabla 1. Tráfico promedio diario.
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 26
Tabla 2. Factor equivalencia.
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 27
Tabla 3. Número de ejes carril de diseño.
Fuente. Elaboración propia.
4.2 Método INVÍAS
Tabla 4. Categoría de la vía.
Fuente. INVÍAS (1998).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 28
Tabla 5. Periodo de diseño.
Fuente. INVÍAS (1998).
Tabla 6. Clasificación de vehículos.
Fuente. INVÍAS (1998).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 29
Tabla 7. Cargas máximas.
Fuente. INVÍAS (1998).
Tabla 8. Rangos de tránsito.
Fuente. INVÍAS (1998).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 30
Tabla 9. Factor de distribución.
Fuente. INVÍAS (1998).
Tabla 10. Regiones climáticas.
Fuente. INVÍAS (1998).
Tabla 11. Entornos de la resistencia.
Fuente. INVÍAS (1998).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 31
Tabla 12. Profundidades mínimas de exploración.
Fuente. INVÍAS (1998).
Tabla 13. Categorías de la subrasante.
Fuente. INVÍAS (1998).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 32
Tabla 14. Convenciones para identificación del material.
Fuente. INVÍAS (1998).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 33
Tabla 15. Valores coeficiente estructural.
Fuente. INVÍAS (1998).
Tabla 16. Valores coeficiente de drenaje.
Fuente. INVÍAS (1998).
Tabla 17. Rangos cartas de diseño.
Fuente. INVÍAS (1998).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 34
Figura 8. Determinación carta de diseño.
Fuente. INVÍAS (1998).
Figura 9. Determinación estructura de diseño.
Fuente. INVÍAS (1998).
- Estructura.
CA =
12 cm
BG=
20 cm
SB=
35 cm
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 35
4.3 Diseño método SHELL
Tabla 18. Propiedades del concreto asfáltico.
Fuente. SHELL (1985).
Tabla 19. Tipo de cemento asfáltico.
Fuente. SHELL (1985).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 36
Figura 10. Distribución de cargas.
Fuente. SHELL (1985).
Figura 11. Distribución de cargas.
Fuente. SHELL (1985).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 37
Tabla 20. Determinación módulos de los granulares.
Fuente. SHELL (1985).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 38
Tabla 21. Valores típicos huang/93.
Fuente. SHELL (1985).
Tabla 22. Deformación por fatiga.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 39
Fuente. SHELL (1985).
Tabla 23. Deformación por ahuellamiento.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 40
Fuente. SHELL (1985).
El comportamiento de los pavimentos flexibles depende en gran medida de
condiciones no incluidas necesariamente en los métodos de diseño estructural. la
temperatura, las condiciones de drenaje regional, la hidrología y otras pueden jugar
papeles muy importantes y frecuentemente pueden ser objeto de consideración del
responsable del diseño geométrico y geotécnico de la carretera, con muy adecuadas
repercusiones en el resultado final.
Generalmente del análisis comparativo de los resultados de los métodos de
diseño se pueden observarse diferencias importantes en su estructura, en especial en
los espesores de la carpeta asfáltica y en su número estructural, el cual puede variar
hasta en un 100% al cambiar el método de diseño. esto es debido principalmente a la
falta de un planteamiento científico del problema y de las diferentes concepciones y
experiencias de quienes propusieron los métodos.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 41
4.3.1 Programa Weslea Figura 12. Ingreso de datos Weslea.
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 42
Figura 13. Distribución de cargas.
Fuente. Elaboración propia. Figura 14. Distribución de ejes.
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 43
Figura 15. Localización cargas.
Fuente. Elaboración propia. Figura 16. Resultado por ahuellamiento.
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 44
Figura 17. Resultado por fatiga.
Fuente. Elaboración propia.
4.3.2 Programa Windepav Figura 18. Determinación de la capa granular y la carpeta asfáltica.
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 45
Figura 19. Resultados óptimos de la capa granular y la carpeta asfáltica.
Fuente. Elaboración propia.
- Estructura.
CA=14cm
BG=30
cm
SBG=
35cm
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 46
4.3 Diseño método el Instituto del Asfalto
El Instituto de Asfalto presenta un procedimiento de diseño estructural de
espesores para pavimentos compuestos parcial o totalmente por capas cementadas
con asfalto sólido o en emulsión. Se incluyen varias combinaciones de rodadura en
concreto asfáltico o con emulsión y tratamiento superficial, base en concreto asfáltico o
con emulsión y base no cementada o subbase.
El análisis se basa en dos condiciones específicas de esfuerzo-deformación
unitaria:
1. La carga, W, de una rueda se transmite a la superficie del pavimento a través
de una llanta con una presión vertical, Po, aproximadamente uniforme; la estructura
del pavimento distribuye los esfuerzos producidos por la carga reduciendo su
intensidad hasta un valor máximo de presión vertical, P1, en la superficie de la
subrasante.
Figura 20. Distribución de la presión de la carga de rueda a través de la
estructura de pavimento.
Fuente. The Asphalt Institute (1999).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 47
2. La carga, W, deforma la estructura del pavimento y causa esfuerzos de tensión
y compresión y deformaciones unitarias en el pavimento. Los criterios de diseño
adoptados son la deformación unitaria máxima por tensión horizontal en la parte inferior
de la capa asfáltica y la deformación unitaria máxima por compresión vertical en la
parte superior de la subrasante, ambas producidas por la carga de la rueda.
Figura 21. Deformación del pavimento y esfuerzos de tensión y compresión en la
estructura del mismo.
Fuente. The Asphalt Institute (1999).
4.4.1 Principios de diseño
El pavimento se modela como un sistema multicapa elástica, en el cual los
materiales de cada capa se caracterizan por el módulo de elasticidad (modulo dinámico
en mezclas asfálticas y módulo resiliente en suelos y materiales no ligados) y la
relación de Poisson.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 48
El tránsito se expresa como repeticiones de ejes sencillos de 80 kN que aplican
la carga a través de ruedas dobles. Para propósitos de análisis, la rueda doble se
modela como dos áreas circulares de 115 mm de radio, separadas 345 mm de centro a
centro, lo que corresponde a una presión de inflado de 482 kPa.
Figura 22. Configuración de carga del método del Instituto de Asfalto.
Fuente. The Asphalt Institute (1999).
Se presentan dos secciones típicas de pavimento consideradas en el método y
la posición de cálculo de los criterios de diseño.
La subrasante se considera de espesor infinito y las demás capas tienen un
espesor finito. Todas las capas son infinitas horizontalmente. Se asume fricción total en
las interfaces de las capas.
Figura 23. Localización de las deformaciones unitarias consideradas en el
proceso de diseño.
Fuente. The Asphalt Institute (1999).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 49
Las cargas aplicadas producen dos deformaciones unitarias consideradas
críticas para propósitos de diseño:
• Deformación unitaria por tensión horizontal, et, en la parte inferior de la
capa asfáltica, bien sea concreto asfáltico o una capa tratada con emulsión.
• Deformación unitaria por compresión vertical, ec, en la superficie de la
subrasante.
Si la deformación unitaria por tensión, et, es excesiva se presentará
agrietamiento de la capa tratada. Si la deformación unitaria por compresión, ec, es
excesiva se presentará deformación permanente de la superficie del pavimento por
sobrecarga de la subrasante.
Tabla 24. Criterios de diseño.
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 50
Tabla 25. Tipo de cemento asfáltico a emplear en mezcla en caliente.
Fuente. The Asphalt Institute (1999).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 51
El valor de K1 que tomó el Instituto del Asfalto para el desarrollo de sus cartas de
diseño oscila entre 8,000 y 12,000. A continuación se presentan algunos valores de
esta constante:
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 52
Tabla 26. Valores típicos de K.
Fuente. The Asphalt Institute (1999).
Espesor carpeta asfáltica.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 53
Agrietamiento carpeta asfáltica.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 54
Deformación vertical
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 55
- Programa Weslea.
Figura 24. Distribución de cargas por capas.
Fuente. Elaboración propia.
Figura 25. Distribución por ejes.
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 56
Figura 26. Localización de cargas.
Fuente. Elaboración propia.
Figura 27. Resultado final ahuellamiento.
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 57
Figura 28. Resultado final por fatiga.
Fuente. Elaboración propia.
- Programa Windepav
Figura 29. Determinación de capas.
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 58
Figura 30. Resultado final óptimo por ahuellamiento y fatiga.
Fuente. Elaboración propia.
- Estructura
CA=
13 cm
BG=
30cm
SBG=
37cm
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 59
4.5 Diseño método AASTHO Tabla 27. Confiabilidad.
Fuente. AASHTO (1993).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 60
Tabla 28. Desviación estándar, So.
Fuente. AASHTO (1993).
Tabla 29. Valores coeficientes de drenaje y estructurales.
Fuente. AASHTO (1993).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 61
Tabla 30. Estructura.
Fuente. AASHTO (1993).
Figura 31. Verificación de la estructura por capas.
Fuente. AASHTO (1993).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 62
Figura 32. Determinación SN efectivo.
Fuente. AASHTO (1993).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 63
Tabla 31. Determinación SN efectivo.
Fuente. AASHTO (1993).
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 64
Ecuaciones generales para espesor de las capas granulares.
- Estructura
CA=
17cm
BG=
18cm
SBG=
51cm
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 65
Durante el desarrollo del diseño de la estructura flexible mediante el método
INVIAS MEDIOS Y ALTOS VOLUMENES DE TRANSITO, en el corredor vial UNE-
CHIPAQUE, cuyas características de temperatura son 21°C y precipitación 1300
mm/año, se tomó la carta de diseño N°1 , arrojando una estructura de las siguientes
características: CA= 0.10m, BG= 0.20m, SBG= 0.35m.
Una vez obtenido el modelo de estructura por el método INVIAS, se analizó por
el método AASHTO 93 para poder obtener un mejor número estructural y lograr
disminuir los espesores de cada una de las capas que conforman el pavimento flexible
a utilizar en la vía.
Con el análisis por capas se logró disminuir el espesor de los granulares en un
26,15%, debido a que se tuvieron en cuenta más variables de entrada como lo son los
módulos resilientes de la base y subbase, optimizando el modelo de estructura,
evitando sobrecostos en el momento de ejecución de la misma.
Con el modelo AASHTO 93 se estimó un espesor de carpeta de rodadura de
0.12m mediante verificación por capas, dicho valor calculado aumenta el planteado por
la metodología INVIAS e=0.10m en 0,02m incrementando el volumen de la mezcla en
70 m3 ,dicho aumento aunque eleve el costo en un 20% del volumen total de la MDC-2,
reduciría el espesor de los granulares, disminuyendo los costos en un 35% generando
una diferencia a favor del 12% en el en la optimización realizada mediante la
verificación por capas ya que no se vería afectada la transmisión de cargas de los ejes
a la estructura diseñada.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 66
5. ASPECTOS ECONÓMICOS
5.1 Presupuesto según las diversas metodologías
Tabla 32. Presupuesto INVIAS.
Fuente. Elaboración propia.
Tabla 33. Presupuesto SHELL.
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 67
Tabla 34. Presupuesto Instituto del Asfalto.
Fuente. Elaboración propia.
Tabla 35. Presupuesto AASHTO.
Fuente. Elaboración propia.
5.2 Alternativa de los autores De acuerdo a los diseños realizados la estructura del pavimento flexible, en la
parte económica observamos que están un poco altas las propuestas, dado que el TPD
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 68
es de bajo volumen optamos por realizar una alternativa que sería aprovechar el
material granular que tiene la región, realizar una capa de 30 cm y una carpeta asfáltica
de 12 cm., Es una muy buena solución para la problemática del municipio.
Cabe anotar que no se estima el precio de los granulares ni de la excavación
porque la suministra el municipio.
Tabla 36. Presupuesto (propuesta de los autores).
Fuente. Elaboración propia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 69
6. ANÁLISIS Y RESULTADOS
• Podemos buscar una solución a las diferentes problemática de los municipios
referentes a las vías que están sin pavimentar.
• Se analizaron los resultados que nos dieron los diferentes métodos de diseño
de construcción de pavimentos flexibles y se escogió la mejor opción, cabe anotar que
los diferentes diseños son muy buenos.
• La importancia de nuestros diseños se basaron en el estudio de suelo de
suelos que nos dieron como resultado un CBR del 2.7 %
• La importancia del TPD (Tránsito promedio diario) es vital para nuestros
diseños, ya que sin él no podríamos realizar un diseño confiable y optimo como
profesionales y especialistas.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 70
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
• De acuerdo a lo visto en la visita al sitio de estudio la vía se encuentra ya casi
en su totalidad sin carpeta asfáltica, debido principalmente a la falta de mantenimiento
tanto de la calzada como de las obras de drenajes, lo que evidencia una intervención
inmediata con una nueva estructura de pavimento.
• De las tres alternativas de estructuras de pavimento diseñadas se opto por la
del método AASHTO-93 mediante verificación por capas, la cual se optimizo, siendo
también las más económica
• El comportamiento de los pavimentos flexibles depende en gran medida de
condiciones no incluidas necesariamente en los métodos de diseño estructural: la
temperatura, las condiciones de drenaje regional, la hidrología y otras pueden jugar
papeles muy importantes y frecuentemente pueden ser objeto de consideración del
responsable del diseño geométrico y geotécnico de la carretera, con muy adecuadas
repercusiones en el resultado final.
• Generalmente del análisis comparativo de los resultados de los métodos de
diseño se pueden observar diferencias importantes en su estructura, en especial en los
espesores de la carpeta asfáltica, en sus capas granulares y en el número estructural,
esto es debido principalmente a la falta de un planteamiento científico del problema y
de las diferentes concepciones y experiencias de quienes propusieron los métodos.
• Es importante que cada alcaldía de cada municipio, tenga una base de datos
actualizada sobre la parte del urbanismo y contar con la información básica para un
plan de desarrollo futuro.
• Se pueden pronosticar posibles soluciones, con las diferentes diseños o
alternativas para un mejor vivir y una mejor economía.
• Para posibles soluciones debemos tener en cuenta los puntos más críticos
estudiados de la zona.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 71
REFERENCIAS
Instituto Nacional de Vías. 1998. Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías
con medios y altos volúmenes de tránsito. Popayán: Instituto Nacional de Vías.
american association of state highway and transportation officials. (1993). Guide for
Design of Pavement Structures. Washington D.C.: AASHTO.
Instituto Nacional de Vías. (2008). Guía metodológica para el diseño de obras de
rehabilitación de pavimentos. 2a ed. Bogotá: INVÍAS.
Shell International Petroleum Company Limited. 1985. Manual de diseño de
pavimentos. Londres: SHELL.
The Asphalt Institute. 1999. Manual del asfalto. Bilbao: Urmo. Montejo Fonseca, A. 2008. Ingeniería de pavimentos: fundamentos, estudios básicos y
diseño. 3a ed. Bogotá: Universidad Católica de Colombia.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 72
Anexo 1. Boletín diario del estado del tiempo.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 73
Anexo 2. Registro fotográfico de visita a campo.
Imagen 1. Estado de la vía vista del sondeo 2 hacia adelante
Imagen 2. Estado de la vía y sitio de sondeo 2.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 74
Imagen 3. Estudio de suelos y estudio topográfico.
Imagen 4. Estado de la vía vista del sondeo 2 hacia atrás.
DISEÑO DE UN PAVIMENTO EN “EL KILÓMETRO 19”, CHIPAQUE-UNE 75
Anexo 3. Estudio de suelos.
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INGENIERÍA CONSTRUCCIONES Y DISEÑOS S.A.S. Calle 52 A No. 20-32 oficina 402 - PBX. 212 7141- Bogotá D.C. - Colombia
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ESTUDIO DE SUELOS PARA VÍA CHIPAQUE - UNE.
INFORME ESTUDIO DE SUELOS
CYDG-20
ENERO 08 DE 2015
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5
Contenido
1. EXPLORACIÓN DEL SUBSUELO ............................................................... 1
2. PROCEDIMIENTO DE ACTIVIDADES ......................................................... 1
3. DETERMINACIÓN DE CBR ......................................................................... 2
ANEXO 1 REGISTROS DE PERFORACIÓN .......................................................... 6
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1
ESTUDIO DE SUELOS PARA VÍA CHIPAQUE - UNE.
INFORME ESTUDIO DE SUELOS
El presente informe corresponde a las actividades que se realizaron para el
estudio de suelos en la vía Chipaque – Une.
1. EXPLORACIÓN DEL SUBSUELO
Para la exploración del subsuelo se realizaron 2 perforaciones que alcanzaron
profundidades de 3 m, y un apique.
2. PROCEDIMIENTO DE ACTIVIDADES
Se indica a continuación, el procedimiento que se realizó en campo:
Reconocimiento del sitio de trabajo, señalización y demarcación de los
puntos a perforar.
Transporte e instalación del equipo de perforación.
Ejecución de perforaciones proyectas para la vía Chipaque - Une, se
registra la descripción litológica de los materiales hallados durante las
perforaciones.
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2
Se tomaron muestras en cada perforación, las cuales se embalaron y
rotularon adecuadamente.
En campo se realizaron ensayos de penetración estándar SPT. Los
registros de perforación se encuentran en el ANEXO 1.
Finalmente se procedió con el desarme y cargue de equipos y la
restauración de las condiciones iniciales del terreno.
3. DETERMINACIÓN DE CBR
En oficina se realiza la correlación de SPT con CBR, propuesta en 1897 por
Livnen & Ishai-1987 mediante la Grafica 1 la cual fue encontrada en el documento
de Hidalgo Andrade Felipe Adrián (2007), Definición moderna de los parámetros
para el diseño de pavimentos.
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3
Grafica 1.Gráfico logarítmico propuesto por Livnen & Ishai-1987, para correlación de SPT con CBR.
Fuente: Hidalgo Andrade Felipe Adrián (2007), Definición moderna de los parámetros para el diseño de pavimentos
Para realizar la correlación se muestra en la Tabla 1 un resumen de los datos para
así poder utilizar la Grafica 1 y encontrar la correlación en cada una de las
profundidades donde se realizó el respectivo ensayo.
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4
Tabla 1. Correlación de SPT con CBR
Perforación DE M A M: M N SPT (mm/golpe)
CBR - % - (GRAFICO
LIVNEH & ISHAI) P1 1.00 1.50 0.50 10 50.00 4 P1 1.50 2.00 0.50 6 83.33 2.7 P1 2.00 2.50 0.50 5 100.00 2.3 P1 2.50 3.00 0.50 5 100.00 2.3 P2 1.00 1.50 0.50 6 83.33 2.7 P2 1.50 2.00 0.50 10 50.00 4 P2 2.00 2.50 0.50 7 71.43 2.9
P2 2.50 3.00 0.50 7 71.43 2.9 Fuente: Propia
Estaremos atentos a resolver cualquier inquietud al respecto.
Atentamente,
CESAR SEGURA SEGURA Matrícula 25202-1430919CND
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ANEXO 1 REGISTROS DE PERFORACIÓN
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