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.
Proyecto de Carreteras
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 e n 2000 .......................................................... ............................................................... ..... 5
3.
Generalidades ................................................... ............................................................................ ............................................. .................... 10 Definición de Pavimento ................................................ ......................................................................... .................................... ........... 10 Función y características c aracterísticas de d e un u n pavimento. p avimento. ................................................ ....................................................... ....... 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. ca racterísticas. ............... ............... 18 Carpeta ................................................ .......................................................................... .................................................... ................................ ...... 19 Base ................................................. ........................................................................... ................................................... .................................... ........... 22 Subbase ................................................... ............................................................................. .................................................... ............................ .. 23 Subrasante ................................................... ............................................................................. .................................................. ........................ 24 Subyacente .................................................. ............................................................................ .................................................. ........................ 25 Terraplén .................................................. ............................................................................ .................................................... ............................ .. 26 4.
Metodologías de d e diseño de d e pavimentos p avimentos .................................................. ......................................................... ....... 27 Diseño de pavimentos asfálticos, II UNAM, DISPAV ......................................... ......................................... 27 Procedimiento de cálculo ................................................... ............................................................................ ................................ ....... 28 Revisión, evaluación evalua ción 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
1 Ing José Antonio Gómez López
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1.
Introducción
La necesidad de transportar bienes y servicios así como de pasajeros en el mejor de los casos se realiza por el medio de transporte terrestre más utilizado: CARRETERA. Por lo anterior, es necesario que un país cuente con un buen sistema carretero que cumpla con las exigencias que le impone el tránsito. En México las primeras carreteras fueron construidas en las primeras décadas del siglo XX con el fin de conectar primeramente a la capital del país con las capitales de los estados, posteriormente se comenzaron a construir carreteras que permitían la comunicación entre los diferentes municipios en los diferentes estados y también lo que correspondía a las comunidades rurales. Lo anterior, fue la base que da vida al sistema carretero mexicano. La manera en cómo se diseñaban y construían las carreteras correspondía con las exigencias de aquellos tiempos de tal modo que las los materiales que muchas veces se utilizaban eran obtenidos de bancos de préstamo, cercanos a la carretera misma, y se utilizaban fundamentalmente para construir las terracerías. A nivel de capa de rodamiento en muchas carreteras simplemente se colocaban carpetas a base de riegos de sello. Cabe señalar que las cargas y los diferentes tipos de vehículos también eran muy diferentes a las que se presentan hoy en día tan es así que el tránsito de aquellos tiempos podía ser de algunos cientos de vehículos o incluso algunos miles, que contrastan contra las decenas de miles de vehículos 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 están construidos con una superficie de rodamiento hecha con concreto asfáltico lo que significa que se trata de pavimentos considerados como flexibles, en el caso de losas de concreto hidráulico se trataría de pavimentos rígidos. Las notas que se anexan para cubrir el curso de Proyecto de Carreteras contempla fundamentalmente el caso de diseño de pavimentos flexibles haciendo uso de dos metodologías muy utilizadas en el área de pavimentos: Método del Instituto de Ingeniería de la UNAM (DISPAV 5), y la método AASHTO.
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2.
Condiciones actuales de las carreteras en México
La red carretera nacional, que se ha desarrollado de manera gradual a lo largo de varias 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 importancia y características, la red carretera mexicana se clasifica en: red federal, redes estatales, 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 entre ciudades y canaliza los recorridos de largo itinerario, los relacionados con el comercio exterior y los producidos por los sectores más dinámicos de la economía nacional. Las redes estatales cumplen una función de gran relevancia para la comunicación 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 en general no pavimentadas; su valor es más social que económico, pues proporcionan acceso a comunidades pequeñas que de otra manera estarían aisladas. Sin embargo, su efecto en las actividades y la calidad de vida de esas mismas 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 del territorio nacional como las crónicas limitaciones presupuestales que ha padecido y otros factores inciden en una u otra medida en el hecho de que México posea una densidad carretera (es decir, la longitud de carreteras por kilómetro cuadrado de territorio) relativamente baja, como lo ilustra el cuadro que sigue.
Comparativo Internacional de Densidad Carretera (km de carreteras por km2 de territorio) México
Estados Unidos
Canadá
Francia
Alemania
Italia
Japón
Reino Unido
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 333 mil 247.1 kilómetros, de los que 106 mil 571.5 corresponden a carreteras libres, 5
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mil 933.1 a autopistas de cuota, 160 mil 185.1 a caminos rurales y alimentadores y 60 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, integrada por su red propia y la que opera por cuenta de terceros —incluida la red del Fideicomiso de Apoyo para el Rescate de Autopistas Concesionadas ( FARAC), tiene una longitud de 4 mil 714.7 kilómetros, las concesionadas a particulares cuentan 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 los estados, por lo que la SCT sólo mantiene la jurisdicción directa de 4 mil 596.9 kilómetros. El total de caminos rurales a cargo de los estados suma 108 mil 530.2 kilómetros, 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 país y suman 60 mil 557.4 kilómetros (véase el cuadro siguiente).
Longitud de la red carretera en 2000 Características
Longitud (km)
Red federal
47 366.5
Cuota
5 500.7
Libre
41 865.8
Redes estatales Cuota
65 138.1 432.4
Libre
64 705.7
Red de caminos rurales SCT
160 185.1 4 596.9
Estados
108 530.2
Otros
47 058.0
Brechas mejoradas
60 557.4 333 247.1
TOTAL
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Del total de kilómetros en servicio, 107 mil 822.4 están pavimentados, 145 mil 350 corresponden a carreteras revestidas, 19 mil 517.3 son de terracerías y 60 mil 557.4 son brechas. Entre los caminos pavimentados, una longitud de 9 mil 872.6 kilómetros (9.2 por ciento del total) tiene cuatro o más carriles. Los principales aspectos de la problemática de la red federal de carreteras son el deficiente estado físico en que se encuentra, las limitaciones geométricas y de capacidad de una longitud importante de los corredores que constituyen sus tramos más utilizados, la todavía insuficiente cobertura, el mal estado de los caminos rurales y la necesidad de consolidar el funcionamiento del sistema nacional de autopistas de cuota, tanto en lo que se refiere a sus aspectos financieros como a cuestiones operativas y de conservación. En la actualidad, y como se muestra en la figura, las condiciones físicas en que se encuentra 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 público mantiene programas de conservación de carreteras, para evitar mayores deterioros, y poder recuperar tramos que llegaron a presentar daños importantes en el pasado.
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Considerando los volumenes de tránsito que utilizan la red de carretras federales y las especificaciones con las que cuenta, se observa que en promedio, el 60 por ciento de su longitud funciona en condiciones que oscilan entre buenas y óptimas. Por otro lado, un 30 por ciento presenta condiciones regulares en términos de capacidad y alrededor de 10 por ciento opera cerca de la saturación. En esos tramos se presentan problemas de congestionamiento y los costos de operación de los vehículos resultan más elevados que en el resto. Uno de los elementos más importantes de la red carretera nacional lo constituyen los 14 corredores que conectan las cinco mesorregiones con que cuenta el país y que proporcionan acceso y comunicación permanente a las principales ciudades, fronteras y puertos marítimos. La longitud de estos corredores, que atienden poco más del 54 por ciento de los flujos carreteros interregionales y cuya configuración se presenta en el mapa (siguiente), es de 19 mil 263 kilómetros. Actualmente se encuentran 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 presentan detalles respecto a ese proceso de modernización.
Corredores carreteros en México 7 Ing José Antonio Gómez López
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COMP y 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 185.1 kilómetros y comunica a 19 mil comunidades en las que habitan 14 millones de personas, es decir, el 60 por ciento de la población rural nacional. Esta red está compuesta por caminos de bajas especificaciones, que son transitables en toda época del año y desempeñan un papel fundamental en la comunicación e integración permanentes de las comunidades a las que sirven. En la actualidad, el estado físico de la red de caminos rurales es bueno en el 11 por 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 antigua y que aproximadamente sólo el 15 % tiene menos de 15 años de funcionamiento y más del 57 % con más de 30 años de vida. Lo anterior es importante si se considera que el diseño para las carreteras que cuentan con más de 30 años de existencia, difiere del criterio del diseño actual, ya 8 Ing José Antonio Gómez López
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que las cargas de diseño de hace más de 30 años no corresponden a las necesidades actuales. El incremento de las cargas ha evolucionado de 34 toneladas (1960) hasta 66,5 toneladas (T3S2R4). Al incrementarse las cargas habrá mayor daño lo que se aprecia en el incremento del número de ejes equivalentes que se utilizan para diseñar y en consecuencia el aumento en los espesores de las capas que constituyen una estructura carretera.
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3.
Generalidades
Las principales funciones de un pavimento son las de transmitir los efectos del tránsito 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 más bien para un número de repeticiones de cargas esperadas, con un comportamiento previsto por el mismo diseño, es decir, al final del periodo o cuando las repeticiones de carga se cumplan deberá presentar un estado de fallas que el mismo diseño consideró. Otra característica que debe manejar intrínsicamente el diseño, es el de producir una estructura económica con los materiales disponibles, aquí se habla en términos de costos totales, los de la inversión 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 una manera u otra lo anterior. En vías terrestres existen los pavimentos aeroportuarios, en donde pista, calles de rodaje y plataformas de operaciones reciben tratamientos muy específicos para esos usos y se diseñan mediante procedimientos propios de esa especialidad, de igual forma los patios de carga en puertos y centrales multimodales de transferencia de carga. En este tema, por razones de espacio y tiempo, se abordarán específicamente los pavimentos para carreteras que son los más usuales, sin embargo los fundamentos serán de aplicación para todos los casos.
Definición de Pavimento Un pavimento puede expresarse como un conjunto de capas, prácticamente paralelas entre sí, construidas con materiales especialmente seleccionados para que actúen en conjunto formando una estructura, que van desde la parte superior de 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 del tránsito adecuadamente a las terracerías y proporcionar una superficie de rodamiento cómoda y segura para los usuarios.
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En la práctica se ha aceptado que el pavimento está constituido por carpeta asfáltica, base hidráulica (estabilizada) y subbase, las terracerías están formadas por 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 capas colocadas una sobre otra. EL pavimento se apoya en una capa denominada subrasante que está conformada en ocasiones por el terreno natural, o bien por un material seleccionado. La subrasante debe soportar las cargas inducidas por el tránsito, dentro de un periodo de tiempo determinado (periodo de proyecto), sin sufrir deterioros y/o deformaciones que afecten la integridad del pavimento. Esta capa es considerada como la cimentación del pavimento. El pavimento tiene diferentes funciones:
Proporcionar una superficie de rodamiento segura, cómoda y con características permanentes, bajo la acción de las cargas repetidas del tránsito. Resistir el tránsito previsto para el periodo de diseño y distribuir los esfuerzos producidos por el tránsito hacia niveles inferiores sin que se produzcan deformaciones importantes. Ser una estructura que sea capaz de resistir los factores climáticos del lugar en el que es construido, principalmente asociados al agua y a temperatura, ya que son los que producen efectos más adversos en el comportamiento de 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 dice que ha perdido funcionalidad, las estructurales están asociadas fundamentalmente a problemas de agrietamiento por fatiga, deformaciones permanentes y a fracturamiento térmico. Respecto a las características funcionales se mencionan las siguientes:
La resistencia al derrapamiento, que consiste en una adecuada textura en la superficie de rodamiento, la textura debe ser adecuada para las velocidades de operación vehicular.
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La regularidad transversal y longitudinal en la superficie, que afecta directamente la comodidad del usuario, dependiendo de las deformaciones presentes en el pavimento se podrá o no alcanzar la velocidad considerada en 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 evitar el fenómeno conocido como acuaplaneo.
Por otro lado, las características estructurales están asociadas con los aspectos mecánicos de los materiales utilizados en la construcción de las diferentes capas que conforman el pavimento, dichas características inciden en el espesor de cada capa; el análisis mecánico da una idea de los efectos producidos por las cargas del tránsito, en cuanto a estados de esfuerzo y deformaciones. De las características estructurales depende en gran medida la vida útil del pavimento.
Pavimento flexible 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 de esfuerzos de diseño. La parte de la deformación no recuperada es acumulativa y se le llama deformación permanente y depende de los componentes plásticos o de la degradación de los materiales. A la parte de la deformación recuperable se le llama deformación elástica o temporal y depende básicamente del módulo de elasticidad de los materiales.
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De hecho, los pavimentos que más se flexionan resultan por lo general con mayor daño, 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 los materiales. Como todos los pavimentos se flexionan de manera diferente, resulta difícil definir qué tan flexible debe ser un pavimento para considerarse como tal o hasta qué punto máximo podría permitirse la flexión de un pavimento rígido para ser denominado de ese modo. Se considera pavimento rígido a aquel cuyo elemento resistente principal es una losa de concreto hidráulico y flexible aquellos que contienen capas de materiales granulares y/o asfálticas como estructura principal. Ambos tipos de estructuras podrán tener una capa asfáltica como superficie de rodamiento, pero en el caso de las losas de concreto hidráulico no será un elemento estructural principal. Las estructuras mixtas formadas por losas de concreto hidráulico y capas de materiales granulares y asfáltico sin importar su orden, pero todas colaborando para formar la estructura pueden considerarse como pavimentos compuestos.
Agentes que deterioran a los pavimentos Uno de los agentes deletéreos para los pavimentos más reconocidos y temidos es el 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 la presión y si se le deja permanecer el tiempo suficiente para que cause esos daños. ¿Qué significa?, se presenta la expresión propuesta originalmente por Coulomb y posteriormente por Terzaghi para obtener la resistencia al esfuerzo cortante en suelos con cohesión y fricción, aunque esta funciona en suelos no remoldeados y los pavimentos son un tanto artificiales, sus principios pueden ser útiles para resolver el misterio del agua en los pavimentos, la ecuación es la siguiente: s = c + ( ) tan
En la cual: s= Esfuerzo cortante del suelo c = Cohesión del suelo
σ = Esfuerzo normal en el plano de falla
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μ = Presión de poro (presión del agua en la masa de suelos) Φ = Angulo de fricción interna del suelo
El primer término de la expresión anterior representa la resistencia al corte de la capa 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 mayor contenido de agua menor cohesión, reconociendo que puede no haber linealidad (la cohesión puede prácticamente desaparecer con alto contenido de agua). La resistencia al corte de los suelos gruesos o en este caso de la fracción granular de la capa, está caracterizada por la tangente de “ Φ” o ángulo de fricción interna, que
depende de su composición granulométrica, de la naturaleza y forma de las partículas y del arreglo o acomodo que tengan, pero está afectado del factor ( σ μ) que representa los esfuerzos efectivos entre partículas. Los esfuerzos efectivos dependen del esfuerzo normal “σ” en el punto estudiado, (en pavimentos
coloquialmente se le llama presión de confinamiento) y de la presión del agua en exceso de la hidrostática o “μ”; si la presión del agua aumenta mucho, por ejemplo bajo la acción dinámica del tránsito, los esfuerzos efectivos pueden casi desaparecer quedando la resistencia al corte dependiendo solamente de la cohesión, que existiendo agua en la capa también disminuye notablemente como ya se dijo. Por lo anterior, el buen funcionamiento de un pavimento, es decir el éxito de un diseño, de la conservación, o la rehabilitación depende de cómo se resuelva el problema del flujo de agua por encima, a los lados, por debajo, por entre los mismos pavimentos y a través del camino; si no se toma en cuenta lo anterior o no se considera al drenaje y al subdrenaje como parte fundamental del pavimento no existirá estructura o solución que perdure. En conclusión primero es el manejo del agua y después todo lo demás. En la figura siguiente se esquematizan cómo influyen los aspectos ambientales en el 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 de contemplar las obras de drenaje y subdrenaje como son por ejemplo: puentes, alcantarillas, lavaderos, cunetas, contracunetas, drenes, subdrenes, etc. Pues la carretera que no contenga las obras de drenaje señaladas por robusta que sea la estructuración de la misma está destinada a fallar más pronto de lo que se puede imaginar, pues el agua “trabajará” sobre, dentro y por debajo de la carretera.
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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 que fue diseñado se dice que ha llegado a su nivel de rechazo. En términos muy generales una falla es cualquier defecto que impida que el pavimento cumpla con sus objetivos fundamentales. Los objetivos fundamentales pueden dividirse en dos grupos, los estructurales y los funcionales u operativos.
Falla estructural . Falla que rompe, debilita o afecta la continuidad estructural del pavimento. Falla funcional . Falla que afecta principalmente la seguridad y comodidad de los usuarios y que no altera de manera importante a la estructura del pavimento. 15 Ing José Antonio Gómez López
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Fractura. Discontinuidad estructural que separa en planos generalmente verticales a la estructura, formando dos o más bloques que actúan por separado de forma más o menos independiente según lo severo del caso. Se descartan desde luego las juntas que se construyen a propósito. Las fracturas si no son muy severas, curiosamente son bien toleradas por los usuarios, pero resultan totalmente indeseables para el pavimento pues permiten la entrada de agua y de otros agentes deletéreos a su interior, iniciándose así el principio del fin. Las fracturas deben ser selladas siempre que sea posible en la práctica 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, generalmente vertical existe contacto o trabazón entre los materiales de bloques adyacentes, de tal manera que existe cierta capacidad de transmisión de carga y movimiento entre ellos. En pavimentos rígidos existe una fisura en la losa si se trasmite entre bloques adyacentes por lo menos el 80% de la carga o el movimiento vertical, de lo contrario los bloques actúan en forma independiente y existe una grieta.
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Grieta. Si la fractura es perfectamente visible y en la mayoría de su longitud tiene una abertura superior a un milímetro, no tendrá la habilidad para trasmitir cargas o movimientos entre bloques adyacentes, o lo hará de manera poco eficaz; entonces existe una grieta. Muchos no estarán de acuerdo con los términos de fisura o grieta pero esto resulta práctico.
Deformación o distorsión. Toda pérdida de la geometría inicial de la estructura del pavimento implica deformación, pero más concretamente cuando existe cambio de volumen; tal es el caso de las deformaciones permanentes, estas se convierten en fallas cuando superan los límites que se esperan en el diseño. Las distorsiones implican además de la pérdida de la forma por cambio de volumen, el desplazamiento del material hacia arriba o a los lados, los materiales ya no pueden seguir cambiando de volumen y por lo tanto se mueven de lugar. Desintegraciones. Cualquier capa de un pavimento puede deteriorarse hasta entrar en un proceso de desintegración, en el caso de los suelos estabilizados sólo mecánicamente se dice que se degradan, es frecuente encontrar suelos muy diferentes a los originales en estudios practicados después de algunos años de servicio, en alguna forma, ciertas partículas pueden desintegrarse. Este término se aplica más en carpetas de materiales asfálticos y losas de concreto sujetas a la acción directa del tránsito y del ambiente, en donde se producen desprendimientos aislados de partículas, desprendimiento superficial de agregados o la franca desintegración 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 la seguridad, la superficie puede ser resbaladiza y provocar el derrape de los vehículos por muchas causas, como el derrame de substancias sobre la superficie de rodamiento o la caída o arrastre de suelos y basura sobre ésta, pero la causa más común es el pulido o desgaste de los agregados expuestos que son los responsables de una textura friccionante con los neumáticos, o en el caso de los pavimentos rígidos del desgaste del texturizado de la losa de concreto realizado para este mismo fin. Uno de los objetivos principales de la administración de pavimentos actualmente, es mantener superficies de rodamiento con índices de fricción tanto con superficie húmeda como seca por arriba de los mínimos internacionales en todo momento. Superficie áspera o ruidosa. Contrario al caso anterior, el desprendimiento de agregados o la desintegración superficial de la superficie de rodamiento pueden producir vibraciones incómodas o exceso de ruido, en nuestro país no existen 17 Ing José Antonio Gómez López
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normas aún que limiten el ruido producido por el tráfico en una carretera, pero la incomodidad al conducir se toma en cuenta en la calificación del estado físico y también se mide la textura o acabado de la superficie de rodamiento a la cual se le asigna un rango de aceptación. Una textura demasiado áspera también puede producir desgaste excesivo de los neumáticos.
Exudación de asfalto. Esta es una falla común en todo tipo de superficies asfálticas, desde carpetas, hasta tratamientos superficiales, se caracteriza porque el asfalto de color negro y brillante aflora a la superficie, haciendo el pavimento resbaloso en esas áreas, sobre todo estando húmedas. Esta falla se presenta en forma 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 la mayoría de los casos se atribuye a defectos de construcción o a un mal diseño de la mezcla. Lo más probable es que haya exceso de asfalto en la mezcla o que no sea el adecuado, pensando que la mezcla es colocada en un entorno con temperaturas 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. 18 Ing José Antonio Gómez López
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Carpeta Es la parte que soporta directamente el tránsito vehicular y es la que se encarga de brindar las características funcionales al pavimento. Estructuralmente, absorbe los esfuerzos horizontales y transmite los verticales hacia las capas inferiores. Es construida con mezclas asfálticas (en frío) o concreto asfáltico (caliente), además puede contener algún agente modificador para mejorar alguna característica, de acuerdo 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 las mezclas asfálticas para la construcción de carpetas, pueden ser naturales o sujetos a tratamientos de disgregación, cribado, trituración o lavado. Según el tipo de mezcla asfáltica que se utilice
Los materiales granulares se clasifican según su uso en: a. b. c. d. e.
Mezclas asfálticas de granulometría densa Mezclas asfálticas de granulometría semiabierta Mezclas asfálticas de granulometría abierta Mortero asfáltico Carpetas por sistema de riegos
Cada una de las clasificaciones anteriores tiene un uso el cual está señalado en la normativa 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 tablas siguientes. Requisitos de calidad del material pétreo para mezclas asfálticas de granulometría densa, para un número de EE del tránsito menor a un millón.
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Requisitos de granulometría del material pétreo para mezclas asfálticas de granulometría 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, los materiales pétreos deberán cumplir con lo indicado en las siguientes tablas. Requisitos de granulometría del material pétreo para carpetas asfálticas de granulometría densa cuando el número de EE del tránsito sea mayor a un millón.
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Requisitos de calidad de pétreos a utilizarse en carpetas asfálticas de granulometría densa, con tránsito mayor a un millón de EE
Los requisitos de granulometría y la calidad de lo pétreos para las demás condiciones de mezclas podrá consultarse en la normativa para la infraestructura del transporte, carreteras SCT (www.imt.mx).
Materiales asfálticos para carreteras El asfalto es un material de color negro, está constituido por asfaltenos, resinas y aceites que le proporcionan características de consistencia, aglutinación y ductilidad. Es sólido o semisólido y tiene propiedades cementantes a temperaturas ambientales normales; cuando es expuesto al calor, se ablanda hasta que su consistencia 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 materiales asfálticos según la siguiente tabla. Clasificación de los materiales asfálticos y sus usos comunes. Material asfáltico
Vehículo para su aplicación
Usos más comunes
Cemento asfáltico
Calor
Se utiliza en la elaboración en caliente de carpetas, mezclas, morteros y estabilizaciones, así como elemento base para la fabricación de emulsiones asfálticas y asfaltos rebajados.
Emulsión asfáltica
Agua
Se utiliza en la elaboración en frío de carpetas, mezclas, morteros, riegos y estabilizaciones.
Asfalto rebajado
Solventes
Se utiliza en la elaboración en frío de carpetas y para la impregnación de subbases y bases hidráulicas.
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Los materiales asfálticos y las características que debe cumplir así como los ensayes 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 de resistir los esfuerzos verticales que le llegan de arriba, así como distribuirlos adecuadamente hacia niveles inferiores sin que se produzcan deformaciones importantes, debe ser permeable y contar con la suficiente rigidez para no deformarse 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
Requisitos de calidad que deben cumplir los materiales de base:
Si el tránsito durante la vida útil del pavimento es mayor a 10 millones de EE (de 8,2 toneladas), el material será 100 % producto de la trituración de rocas sanas. Si el tránsito esperado durante la vida útil del pavimento es entre 1 y 10 millones 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.
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Zonas granulométricas recomendables de los materiales para bases de pavimentos con carpetas de mezcla asfáltica de granulometría densa.
Subbase Es la capa construida bajo la base y sobre la subrasante, puede ser o no construida dependiendo de la capacidad de soporte de la subrasante. Su función básica es la de proporcionar una cimentación adecuada para la correcta colocación de la base, en la medida de lo posible debe tener una función drenante por que deberá carecer de materiales finos; es la transición entre el pavimento y las terracerías. Requisitos de calidad de los materiales para subbases de pavimentos asfálticos.
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Zonas granulométricas recomendables de los materiales para subbases de pavimentos 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 vida útil del pavimento, se tendrán los siguientes casos:
Cuando la intensidad del tránsito sea igual o menor a 1 millón de EE, el material deberá cumplir con la calidad y granulometría señalada por la normativa 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 mínimo de 30 cm Cuando la intensidad del tránsito sea superior a 10 millones de EE la capa subrasante será motivo de diseño especial.
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Requisitos de calidad de materiales para capa subrasante
Subyacente Se construye bajo la subrasante y puede o no ser requerida. Los materiales que constituyen esta capa son suelos y fragmentos de roca, producto de cortes o de la extracción de bancos. La SCT recomienda los siguientes espesores mínimos para la construcción de esta capa, en función del número de ejes equivalentes.
Si la intensidad del tránsito es menor a 10000 EE durante la vida útil del proyecto no será necesario construir esta capa. Si la intensidad del tránsito es de 10000 a 1 millón de EE, esta capa deberá contar con espesor mínimo de 30 cm. Si la intensidad del tránsito es de 1 millón a 10 millones de EE esta capa deberá ser construida con espesor mínimo de 70 cm. Si la intensidad del tránsito es mayor a 10 millones de EE esta capa requerirá un diseño especial. Requisitos de calidad de materiales para capa subyacente.
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Terraplén Su función es la de alcanzar el nivel de desplante para la construcción de la subyacente. El terraplén se construye con suelos y fragmentos de roca, producto de cortes o de la extracción de bancos, y en ningún caso deben ocuparse materiales orgánicos y/o producto de despalmes. Requisitos de calidad de materiales para terraplén.
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4.
Metodologías de diseño de pavimentos
En la presente sección se abordarán básicamente dos metodologías que en México son muy utilizadas para el diseño o revisión de pavimentos flexibles: Diseño de Pavimentos Asfálticos, Incluyendo Carreteras de Altas Especificaciones, Instituto de Ingeniería de la UNAM, Programa DISPAV AASHTO Guide for Design of Pavements Structures, conocido como método AASHTO.
Diseño de pavimentos asfálticos, II UNAM, DISPAV La inquietud de desarrollar un método de diseño de pavimentos para México nació en la década de los 60’s a iniciativa de la Secretaría de Comunicaciones y Obras
Públicas (SCOP), hoy Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) la cual le brindó todas las facilidades al Instituto de Ingeniería de la UNAM para llevar a cabo los estudios y experimentación para lograr el método de diseño de pavimentos. Desde entonces El Ing Santiago Corro y su equipo de trabajo de dedicaron a realizar estudios del comportamiento de pavimentos en diferentes tramos de prueba los cuales fueron instrumentados para evaluar el comportamiento de los materiales. De igual manera realizaron estudios en la pista experimental “Fernando Espinoza” en la cual evaluaron diferentes secciones , cargas, número de pasadas, etc.
Tramo experimental y pista circular “Fernando Espinoza” (II UNAM).
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A lo largo de prácticamente cincuenta años salieron a la luz un buen número de artículos y documentos producto de las investigaciones realizadas en el Instituto de Ingeniería de la UNAM, entre otras, se encuentran los documentos 325 y 444. El método actual, DISPAV, es un método muy amigable que se encuentra disponible en un programa que lleva el mismo nombre. En el DISPAV se consideran los postulados básicos del método de diseño anterior, un modelo rígido plástico y criterios de capacidad de carga de Terzaghi para estimar la deformación permanente a largo plazo. Un modelo elástico para determinar el comportamiento del camino, basado en la falla por agrietamiento a fatiga de las capas ligadas con asfalto, considerando la deformación unitaria crítica a tensión en esas capas. El DISPAV-5 versión 3.0 es un programa de tipo interactivo que permite calcular tanto carreteras de altas especificaciones como carreteras normales. Su fundamento es teórico experimental y para su aplicación se emplean conceptos y métodos de cálculo mecanicistas. El diseño estructural del pavimento está basado en el número de ejes equivalentes que produce el tránsito mezclado que se considera pasará en el carril de diseño que es con el que se obtiene la sección de pavimento. Es necesario señalar que 1 eje equivalente corresponde al daño unitario que produce un eje dual con 8,2 toneladas 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 el factor de daño. Se hace la caracterización de los materiales con base en su comportamiento reala largo plazo. El método de diseño incluye modelos de deterioro para estimar la deformación permanente del pavimento a la falla, basados en pruebas a escala natural y en el laboratorio así como modelos para determinar el comportamiento a fatiga 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 secciones de pavimento nuevo y el REVPAV-5 es el correspondiente al de revisión de pavimentos en operación, pensando en la vida remanente que aún queda de dicho 28 Ing José Antonio Gómez López
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pavimento. En ambos casos, se contemplan pavimentos a los que el autor denomina de altas especificaciones y caminos normales. El diseño de un pavimento es a partir de un tránsito de proyecto y de características mecánicas de materiales conocidos. Se llega a la determinación de los espesores de capa requeridos para el tránsito de proyecto deseado.
Procedimiento para dis eño estructural El método de diseño comprende dos aspectos fundamentales de desempeño en pavimentos. a. Deformación permanente. b. Fatiga.
Tipo de Carretera
Diseño de carreteras de altas especificaciones en las que se requiere conservar un nivel de servicio alto en la superficie de rodamiento, durante toda la vida de servicio. Al término de la vida de proyecto la deformación esperada con este modelo es del orden de D = 1.2 cm con agrietamiento ligero o medio. Diseño de carreteras normales en donde la deformación permanente al término de la vida de proyecto es D = 2.5 cm con agrietamiento medio o fuerte. En este tipo de diseño se requiere mantenimiento rutinario frecuente.
Es importante señalar que el comportamiento del pavimento depende de manera significativa del control de calidad en la construcción y de un mantenimiento adecuado. En el caso de carpetas asfálticas el diseño de la mezcla asfáltica es un elemento importante en el comportamiento y se requiere un diseño cuidadoso para evitar fallas prematuras. En el caso de carreteras de altas especificaciones, las consideraciones anteriores tienen mayor relevancia y es necesario elegir materiales de construcción de muy buena calidad; emplear un diseño correcto en las mezclas asfálticas y aplicar un control de calidad riguroso durante la construcción.
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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 el proceso de análisis se acostumbra utilizar el tránsito equivalente, usualmente referido a ejes sencillos con llantas gemelas y peso estándar de 8,2 toneladas el cual produce el mismo daño que el tránsito mezclado que se presenta en la realidad. En carreteras de dos carriles, el tránsito del carril de proyecto se considera como la 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 de carriles en ambas direcciones
Coeficiente de distribución del 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 de proyecto pueden introducirse directamente, en caso contrario, el tránsito equivalente se puede estimar a partir del Tránsito Diario Promedio Anual (TDPA) en el carril de proyecto, número de vehículos, composición del tránsito por tipo de vehículo en porciento. Además, deberá analizarse lo relacionado a cargas por eje (sencillo, doble o triple), proporción de vehículos cargados y vacíos, tasa de crecimiento anual en porciento y el número de años que se considera en el proyecto.
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Niveles de tráns ito equivalente El DISPAV-5 considera cuatro niveles de tránsito. Niveles de tránsito equivalente en el carril de proyecto
Nivel de tránsito Ejes equivalentes equivalente de 8.2 toneladas I
T
