INFORME DISEÑO DE PAVIMENTOS.docx

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS RIGUIDOS Un pavimento de concreto o pavimento rígido consiste básicamente en una losa de concreto simple o armado, apoyada directamente sobre una base o sub base. La losa, debido a su rigidez y alto módulo de elasticidad, absorbe gran parte de los esfuerzos que se ejercen sobre el pavimento lo que produce una buena distribución de las cargas de rueda, dando como resultado tensiones muy bajas en la subrasante. Todo lo contrario sucede en los pavimentos flexibles, que al tener menor rigidez, transmiten los esfuerzos hacia las capas inferiores lo cual trae como consecuencia mayores tensiones en la sub rasante, como se pude apreciar en la figura.

Los elementos que conforman un pavimento rígido son: subrasante, subbase y la losa de concreto. A continuación se hará una breve descripción de cada uno de los elementos que conforman el pavimento rígido. a) Subrasante La subrasante es el soporte natural, preparado y compactado, en la cual se puede construir un pavimento. La función de la subrasante es dar un apoyo razonablemente uniforme, sin cambios bruscos en el valor soporte, es decir, mucho más importante es que la subrasante brinde un apoyo estable a que tenga una alta capacidad de soporte. Por lo tanto, se debe tener mucho cuidado con la expansión de suelos. b) Subbase La capa de subbase es la porción de la estructura del pavimento rígido, que se encuentra entre la subrasante y la losa rígida. Consiste de una o más capas compactas de material granular o estabilizado; la función principal de la subbase es prevenir el bombeo de los suelos de granos finos. La subbase es obligatoria cuando la combinación de suelos, agua, y tráfico pueden generar el bombeo.

PAVIMENTOS

pág.

1

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN Tales condiciones se presentan con frecuencia en el diseño de pavimentos para vías principales y de tránsito pesado. Entre otras funciones que debe cumplir son:     

Proporcionar uniformidad, estabilidad y soporte uniforme. Incrementar el módulo (K) de reacción de la subrasante. Minimizar los efectos dañinos de la acción de las heladas. Proveer drenaje cuando sea necesario. Proporcionar una plataforma de trabajo para los equipos de construcción.

c) Losa La losa es de concreto de cemento portland. El factor mínimo de cemento debe determinarse en base a ensayos de laboratorio y por experiencia previas de resistencia y durabilidad. Se deberá usar concreto con aire incorporado donde sea necesario proporcionar resistencia al deterioro superficial debido al hielo-deshielo, a las sales o para mejorar la trabajabilidad de la mezcla. FACTORES DE DISEÑO El diseño del pavimento rígido involucra el análisis de diversos factores: tráfico, drenaje, clima, características de los suelos, capacidad de transferencia de carga, nivel de serviciabilidad deseado, y el grado de confiabilidad al que se desea efectuar el diseño acorde con el grado de importancia de la carretera. Todos estos factores son necesarios para predecir un comportamiento confiable de la estructura del pavimento y evitar que el daño del pavimento alcance el nivel de colapso durante su vida en servicio. La ecuación fundamental AASHTO para el diseño de pavimentos rígidos es:

PAVIMENTOS

pág.

2

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN

Para una mejor descripción de las variables, éstas se han clasificado de la siguiente manera:

PAVIMENTOS

pág.

3

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN Variables de diseño. Esta categoría se refiere al grupo de criterios que debe ser considerado para el procedimiento de diseño. Criterio de comportamiento. Representa el grupo de condiciones de fronteras especificado por el usuario, dentro del que un alternativa de diseño deberá comportarse. Propiedades de los materiales para el diseño estructural. Esta categoría cubre todas las propiedades de los materiales del pavimento y del suelo de fundación, requeridas para el diseño estructural. Características estructurales. Se refiere a ciertas características físicas de la estructura del pavimento, que tienen efecto sobre su comportamiento. VARIABLES DE TIEMPO Se consideran dos variables: período de análisis y vida útil del pavimento. La vida útil se refiere al tiempo transcurrido entre la puesta en operación del camino y el momento en el que el pavimento requiera rehabilitarse, es decir, cuando éste alcanza un grado de serviciabilidad mínimo. El período de análisis se refiere al período de tiempo para el cual va a ser conducido el análisis, es decir, el tiempo que puede ser cubierto por cualquier estrategia de diseño. Para el caso en el que no se considere rehabilitaciones, el período de análisis es igual al período de vida útil; pero si se considera una planificación por etapas, es decir, una estructura de pavimento seguida por una o más operaciones de rehabilitación, el período de análisis comprende varios períodos de vida útil, el del pavimento y el de los distintos refuerzos. Para efectos de diseño se considera el período de vida útil, mientras que el período de análisis se utiliza para la comparación de alternativas de diseño, es decir, para el análisis económico del proyecto. Los períodos de análisis recomendados son mostrados en la tabla

PAVIMENTOS

pág.

4

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN

TRÁNSITO En el método AASHTO los pavimentos se proyectan para que éstos resistan determinado número de cargas durante su vida útil. El tránsito está compuesto por vehículos de diferente peso y número de ejes que producen diferentes tensiones y deformaciones en el pavimento, lo cual origina distintas fallas en éste. Para tener en cuenta esta diferencia, el tránsito se transforma a un número de cargas por eje simple equivalente de 18 kips (80 kN) ó ESAL (Equivalent Single Axle Load), de tal manera que el efecto dañino de cualquier eje pueda ser representado por un número de cargas por eje simple. La información de tráfico requerida por la ecuación de diseño utilizado en este método son: cargas por eje, configuración de ejes y número de aplicaciones. Para la estimación de los ejes simples equivalentes (ESALs), se debe tener en cuenta los siguientes conceptos: TRÁNSITO En el método AASHTO los pavimentos se proyectan para que éstos resistan determinado número de cargas durante su vida útil. El tránsito está compuesto por vehículos de diferente peso y número de ejes que producen diferentes tensiones y deformaciones en el pavimento, lo cual origina distintas fallas en éste. Para tener en cuenta esta diferencia, el tránsito se transforma a un número de cargas por eje simple equivalente de 18 kips (80 kN) ó ESAL (Equivalent Single Axle Load), de tal manera que el efecto dañino de cualquier eje pueda ser representado por un número de cargas por eje simple. La información de tráfico requerida por la ecuación de diseño utilizado en este método son: cargas por eje, configuración de ejes y número de aplicaciones.

PAVIMENTOS

pág.

5

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN Para la estimación de los ejes simples equivalentes (ESALs), se debe tener en cuenta los siguientes conceptos: a) Factor equivalente de carga (LEF, por sus siglas en ingles) La conversión se hace a través de los factores equivalentes de carga (Fec), que es el número de aplicaciones ESALs aportadas por un eje determinado. Así, el Fce es un valor numérico que expresa la relación entre la pérdida de serviciabilidad causada por la carga de un eje estándar de 18 Kips y la carga producida por otro tipo de eje. b) Factor camión (TF, por sus siglas en ingles) El factor camión (FC) da una manera de expresar los niveles equivalentes de daño entre ejes, pero para el cálculo de ESALs es conveniente expresar el daño en términos del deterioro producido por un vehículo en particular, es decir los daños producidos por cada eje de un vehículo son sumados para dar el daño producido por ese vehículo. Así nace el concepto de factor camión que es definido como el número de ESALs por vehículo. El factor camión, puede ser computado para cada clasificación general de camiones o para todos los vehículos comerciales como un promedio para una configuración dada de tránsito, pero es más exacto considerar factores camión para cada clasificación general de camiones. PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS RIGUIDOS Existen en general dos clases de estructuras de pavimento, los flexibles y los rígidos; la principal diferencia entre estos es la forma como reparten las cargas. Desde el punto de vista de diseño, los pavimentos flexibles están formados por una serie de capas y la distribución de la carga está determinada por las características propias del sistema de capas. Los rígidos tienen un gran módulo de elasticidad y distribuyen las cargas sobre una área grande, la consideración más importante es la resistencia estructural del concreto hidráulico.

Distribución de carga característica de un Pavimento rígido versus uno flexible

Una buena forma de caracterizar el comportamiento de un pavimento flexible bajo la acción de cargas de ruedas, es considerarlo como un semi espacio homogéneo;

PAVIMENTOS

pág.

6

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN este tiene una área infinita y una profundidad infinita con una carpeta delgada encima donde son aplicadas las cargas. Como un primer análisis para determinar la distribución de esfuerzos en un pavimento se aplicó el modelo propuesto por el matemático francés Boussinesq en 1885, estado de esfuerzos en una masa de suelo a cualquier profundidad; el estudio del matemático se basó en una carga concentrada aplicada en un semi espacio lineal, elástico, isótropo y homogéneo; los esfuerzos, deformaciones y deflexiones debidos a la carga concentrada pueden ser extrapolados para obtener aquellas debidas a una área circular cargada. A continuación se presentan algunas ecuaciones y conceptos encontrados en las referencias para determinar los límites admisibles en cada capa que conforma la estructura de pavimento.

ENSAYOS DE MECANICA DE SUELOS REALIZADOS EN PAVIMENTOS

PAVIMENTOS

pág.

7

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN Es de suma importancia siendo el primer paso, antes de llegar a cualquier negociación la realización de los estudios de suelos de las vías las cuales van hacer estabilizadas. Para la toma de estos estudios, se requiere realizar apiques cada 500 ms de 1 m de profundidad de los cuales se estudian los primeros 15 cm, luego los siguientes 15 cm y posteriormente el restante.         

Los análisis necesarios son: - Limites de Atterberg ( LA) Ensayo Proctor de Compactacion (EPC) Valor Soporte Relativo (CBR) Resistencia de Compresión Inconfinada(RCI) Los resultados esperados son: -Disminución del Indice Plástico (DIP) Por disminución del límite liquido Aumento de la Densidad Seca Máxima (DSM) Aumento del (CBR) desde un 80% al 500% Aumento de la (RCI) desde un 40% al 120%

ESTABILIZACION DE SUELOS DE PAVIMENTOS METODOS FISICOS Y QUIMICOS. Existen en la práctica diversos métodos para estabilizar los suelos; cada método, utiliza diferentes agentes estabilizadores, entre los que se pueden encontrar: La cal, el cloruro de sodio, el cemento, los asfaltos, las imprimaciones reforzadas, la Bischofita entre otros; incluso se ha utilizado la combinación de diferentes productos estabilizadores, así como la mezcla de suelos con el fin de dar soluciones óptimas a problemas particulares. Según el Manual para el diseño de carreteras no pavimentadas, la capacidad portante o CBR (California Bearing Ratio) de los materiales de las capas de subrasante y del afirmado, deberá estar de acuerdo a los valores de diseño; no se admitirán valores inferiores. En consecuencia, sí los materiales a utilizarse en la carretera no cumplen las características generales previamente descritas, se efectuará la estabilización correspondiente del suelo. De esta forma, se podrán utilizar suelos de características marginales como subrasante o en capas inferiores de la capa de rodadura y suelos granulares de buenas características, pero de estabilidad insuficiente (CBR menor al mínimo requerido) en la capa de afirmado.

PAVIMENTOS

pág.

8

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN El objetivo del estudio de estabilización de materiales es el de mejorar las características físico mecánicas de los suelos naturales existentes a lo largo del trazo de la vía que no cumplen como suelos de subrasante por su baja resistencia portante o su alta expansión, sobre la que se construirá el cuerpo de terraplén y el paquete estructural del pavimento. También como objetivo es darle al suelo natural la suficiente resistencia al desgaste y al esfuerzo cortante para resistir las cargas del tránsito bajo cualquier condición climática, sin que se produzcan deformaciones perjudiciales. Entonces no solo se trata de llegar a un estado de suelo con suficiente resistencia a la acción destructora y deformante de las cargas, sino también, asegurar la permanencia de este estado a través del tiempo.

MÉTODO DE ESTABILIZACIÓN DE MATERIALES Se entiende como proceso de la estabilización de suelos, al conjunto de fenómenos mecánicos físicos, químicos y físico-químicos, tendientes a modificar las propiedades de los suelos que interesan, para una determinada aplicación en ingeniería, haciendo que el material suelo sea adecuado para el uso y diseño previsto, reemplazando a otros materiales no disponibles o más costosos. LAS PROPIEDADES A LAS QUE SE ALUDE SON: 

Comportamiento bajo cargas



Cambios volumétricos

PAVIMENTOS

pág.

9

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN 

Impermeabilidad



Compresibilidad

CAMPO DE APLICACIÓN La aplicación de la estabilización de suelos es muy amplia y depende entre otras cosas, de la clasificación del camino y del tipo de estructura a diseñar: 

Sub rasante



Sub bases



Bases

TIPOS DE ESTABILIZACIONES A continuación se detalla cada uno de los tipos de estabilización que existe: 

Estabilización mecánica: Comprende la densificación del suelo logrado por procesos de compactación.

Compactación: Regularmente se hace en la sub-base, base y en carpetas asfálticas. 

Estabilización física: Lo que se busca es una adecuada granulometría mediante el aporte de materiales cohesivos o granulares o ambos a la vez, al primitivo suelo.

Utilizando: Geotextiles (son telas permeables no biodegradables que pueden emplearse como filtros y para controlar la erosión de suelos y el transporte de lodos), Consolidación y mezclas de suelos.

PAVIMENTOS

pág.

10

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN



Estabilización físico-química: Se busca cambiar las propiedades del suelo por la adición de un agente estabilizante.



Estabilización Química: Responde a la aplicación de productos químicos, los que generalmente son productos que poseen una "patente", como:

Cal: Económica para suelos arcillosos (disminuye plasticidad) Cemento Pórtland: para arenas o gravas finas (aumenta la resistencia) Productos asfálticos: Para material triturado sin cohesión (emulsión, muy usada) Cloruro de sodio y cloruro de calcio: Para arcillas y limos (impermeabilizan y disminuyen los polvos) Escorias de fundición: Comúnmente en carpetas asfálticas, dan mayor resistencia, impermeabilizan y prolongan la vida útil. Polímeros: Comúnmente en carpetas impermeabilizan y prolongan la vida útil.

asfálticas,

dan

mayor

resistencia,

Hule de neumáticos: Comúnmente en carpetas asfálticas, dan mayor resistencia, impermeabilizan y prolongan la vida útil.

PAVIMENTOS

pág.

11

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN

PAVIMENTOS

pág.

12

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN

ESTABILIZACIONES MÁS USADAS Compactación, geotextil, drenaje y estabilización granulométrica con cal, cemento y asfalto. Geotextil: Se emplean como elementos de distribución de cargas en los pavimentos. En los taludes y en los cortes, ayudan a proteger de la erosión. Hay tres tipos: Material entrelazado perpendicularmente, materiales de telas unidas mediante un tejido de punto y materiales no tejidos. Procedimiento constructivo utilizando geotextil: La capa inferior a la colocación del geotextil deberá estar totalmente terminada, en suelos muy blandos se puede cortar la vegetación al ras y se deberán rellenar las depresiones, se deberá estirar el geotextil para que no haya arrugas, dándole el traslape adecuado. Si se usa como impermeabilizante deberá agregársele asfalto para formar una barrera, el beneficio que se tiene al usar este producto es el aumentar la vida útil al pavimento, disminuyen los costos de mantenimiento.

PAVIMENTOS

pág.

13

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN

Se entiende por estabilización de suelos, el mejoramiento de una o más propiedades de un suelo para cumplir determinado fin. Con la adición de productos bituminosos se busca disminuir la absorción de agua y sus efectos posteriores, lográndose muros durables, sin revestimiento y de mejor apariencia. Teoría de la Estabilización de lo Suelos con Asfalto La estabilización de bloques con asfalto se fundamenta en el hecho de que la arcilla es el único componente del suelo que es inestable en presencia de humedad. El asfalto emulsificado que se usa como estabilizador de suelos consiste de glóbulos microscópicos de asfalto que están rodeados y suspendidos en medio acuoso. Se recomienda mantener el estabilizador a una temperatura superior a 0° centígrado. El estabilizador hace contacto con la parte arcillosa del suelo y a medida que se realiza la evaporación del agua, los glóbulos de asfalto forman una fina película que rodea a las partículas de arcilla, cuando está totalmente seca, la masa tratada con la emulsión de asfalto mantiene aproximadamente la misma firmeza y

PAVIMENTOS

pág.

14

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN resistencia a la compresión que un suelo que ha sido mezclado solamente con agua. Pese a que un contacto con el agua puede producir cierta absorción, las partículas de arcilla no se expandirán o penderán cohesión. Suelos Apropiados Se recomienda suelos con una composición básica de arena y arcilla, la segunda actuará, como un cementante de la primera. La fracción fina de un suelo debe contener suficiente arcilla para formar una pasta delgada alrededor de las partículas más gruesas. Suelos arcillosos ocasionan demasiado encogimiento y rajaduras, además el constante aumento y disminución de volumen en presencia de agua producen adobes fácilmente erosionables; suelos con excesiva arena no tienen suficiente ligazón entre partículas, generando adobes de poca fuerza cohesiva que se desmoronan. Suelos con excesivo contenido de materia orgánica no son aptos por su gran encogimiento, baja resistencia y poca duración ante la humedad. Las sales y álcalis aún en cantidades reducidas ocasionan deterioro en los adobes expuestos a ciclos de humedecido y secado. El problema principal radica en la identificación de los elementos nocivos y en los porcentajes máximos admisibles. Requisitos de Selección Como la adición de asfalto no altera significativamente la resistencia mecánica, el encogimiento, ni la trabajabilidad del barro se han tomado como especificaciones de partida las usualmente empleadas para adobes comunes secados al sol. 

Granulometría: Según el sistema SUCS, las partículas que pasan la malla ASTM N° 200 son clasificados como limos y arcillas. Los tipos de suelos requeridos deben tener un contenido de 55% a 75% de arena (retenidas en la N° 200) y de 25% a 45% de materiales finos (limos más arcillas). La proporción ideal de arcilla sería el 15%, según la "Clasificación Internacional" arena (2 a 0.02 mm.), limo (0.02 a 0.002 mm.), arcilla (0.002 a 0.0002 mm.)

PAVIMENTOS

pág.

15

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN 

Contenido de Sales Solubles en agua: El máximo porcentaje permisible sería el 0.2%.



Resistencia Mecánica: Son las mismas que para suelo estabilizado.



Ensayos de Campo: Existe una serie de ensayos de campo, para estimar la factibilidad de un suelo, dichos ensayos se especificarán más adelante.

Estabilizadores Asfálticos Empleados: Asfalto RC - 250 Llamado popularmente "Asfalto de Caminos", sustancia viscosa de color oscuro, disponible en cilindros de 54 galones a granel, transportado en camiones cisternas. La temperatura ideal de mezclado varía de 27 °C a 66°C. Otros: La utilización de emulsiones asfálticas se ve limitada en nuestro medio por la restringida producción, proyecciones de costos denotan un precio 2 veces mayor que el asfalto RC - 250 y los ensayos realizados con emulsiones mostraron un consumo requerido 3 veces mayor.

PAVIMENTOS

pág.

16