Descripción: Este es un ejemplo completo de diseño de pavimento, por metodo AASHTO 93 y por el metodo mecanista de SHELL...
Diseño estructural del pavimento de las vías urbanas del Municipio de Itaguí. calle 87 entre carreras 47 y 52 Ampliación El ajizal. Ampliación Calle 36 Ditaires.
P V L PR R O O C C I I V I I L LTDA L LTDA I N NG G E E N NI I E E R RO O S S C I IV V I I L L E E S S
Carrera 52ª No. 66 – 89 Itaguí – Antioquia. Telefax: 376-50-99 E-mail:
[email protected] www.procivil.com.co
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
P PR R O O C C I I V V I I L L L LT T D D A A A A I N NG G E E N NI I E E R R O OS S C I IV VI I L LE E S S Diseño estructural del pavimento de las vías urbanas del Municipio de Itaguí. ITDP 09 / 07 COPIA Nº 1 VERSIÓN Nº 0 VIGENTE DESDE DESDE OCTUBRE OCTUBRE DE 2007
SISTEMA DE ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD
ELABORADO POR: PROCIVIL LTDA REVISIÓN APROBADA POR: Leonardo Fabio Velásquez Rojas. Especialista en Vías y Transportes VERIFICACIÓN APROBADA POR: Leonardo Fabio Velásquez Rojas. Gerente FUNCIONARIO RESPONSABLE O.O.P.P:
Diseño estructural del pavimento de las vías urbanas del Municipio de Itaguí.
Fecha: Octubre / 07
Firma:
Fecha: Octubre / 07
Firma:
Fecha: Octubre / 07
Firma:
Fecha: Octubre / 07
Firma:
ii CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
TABLA DE CONTENIDO Pág. Pág. 1. 2. 2.1 3. 4. 5. 5.1 6. 7. 8. 8.1
9. 9.1 9.2 9.3 9.4 10. 11. 12.
INTRODUCC INTRODUCCIÓN. IÓN. ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................. ... 7 OBJETO OBJETO DEL INFORME. INFORME. ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 9 OBJETIVO OBJETIVO ESPECÍFICO. ESPECÍFICO. ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 9 ALCANCE ALCANCE GENERAL GENERAL DEL PROYECTO................... PROYECTO................................. ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 9 LOCALIZACIÓN LOCALIZACIÓN Y DESCRIPCIÓN DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO. PROYECTO. ........................... ......................................... ............................ ............................ ................ 10 DETERMINACIÓ DETERMINACIÓN N DE LOS SUELOS EXISTENTES..................................... EXISTENTES................................................... ............................ ...................... ........ 13 ESTADO ACTUAL DE LA SUPERFICIE SUPERFICIE DE RODADURA............................... RODADURA............................................. ............................ .................... ...... 13 INVESTIGACIÓN Y EVALUACIÓN DE SUELOS PARA ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO FLEXIBLE...................... FLEXIBLE.................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ .................... ...... 14 VARIABLE TRÁNSITO TRÁNSITO PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS PAVIMENTOS ........................... ......................................... ............................ ................. ... 22 DISEÑO DEL PAVIMENTO. PAVIMENTO. .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................ 24 DIMENSIONAMIEN DIMENSIONAMIENTO TO DE LA ESTRUCTUR ESTRUCTURA............... A............................. ............................ ........................... ........................... ........................... ............. 24 ......................... 24 8.1.1 Determinación de la estructura del pavimento “METODO AASHTO 93” ......................... ........................................ ............................ ................ 25 8.1.1.1 Determinación del número estructural requerido. .......................... .......................................... ............................ ................ 27 8.1.1.2 Determinación del Número estructural efectivo. ............................ ............................. 28 8.1.1.3 Determinación del Número estructural de la capa asfáltica nueva. ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ................. ... 28 8.1.2 Parámetros de diseño. ........................... VERIFICACIÓN VERIFICACIÓN EMPÍRICA – MECANICISTA MECANICISTA DEL DISEÑO. DISEÑO. .......................... ........................................ ............................ .................... ...... 32 BENEFICIOS BENEFICIOS DE UN DISEÑO EMPÍRICO – MECANICISTA. MECANICISTA. ............................ .......................................... ............................ ................. ... 32 MÓDULOS DE ELASTICIDAD DE LAS CAPAS DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO EXISTENTE....................... EXISTENTE..................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................ 33 CÁLCULO CÁLCULO DE ESFUERZOS ESFUERZOS Y DEFORMACIONE DEFORMACIONES. S. ............................ .......................................... ............................ ............................ ................. ... 34 .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ................ 34 9.3.1 Parámetros admisibles. ............................ CHEQUÉO CHEQUÉO DEL DISEÑO DE LAS SOLUCIONES SOLUCIONES UTILIZANDO UTILIZANDO EL MÉTODO RACIONAL. RACIONAL. ............ 36 CONCLUSIONE CONCLUSIONES S Y RECOMENDACION RECOMENDACIONES........................... ES......................................... ............................ ............................ ............................ ................. ... 39 LIMITACIONES LIMITACIONES................ .............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................. ... 41 BIBLIOGRAFÍA.................. BIBLIOGRAFÍA................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................ 42
iii CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1 criterios para la ejecución de perforaciones en el terreno para definir un perfil de suelos...................16 Tabla 2. Coeficientes estructurales sugeridos para materiales de pavimentos en servicio con rodadura asfáltica.............. asfáltica............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................25 ...25 Tabla 3. Confiabilidad sugerida para varias clasificaciones viales................ viales..... ..................... ..................... ...................... ..................... ................... ......... 26 Tabla 4 Valores de de desviación normal para niveles seleccionados de confiabilidad. .................... .......... ..................... .................. .......27 27 Tabla 5 Coeficientes de Calage. Método Shell 78. ..................... ........... ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... ................ .....35 35 Tabla 6. Resumen Resumen verificació verificaciónn elástica elástica multicapa. multicapa. .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ......................38 ........38
iv CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
LISTA DE GRÁFICOS. Pág. Gráfico 1. Departamento de Antioquia. Municipio de Itaguí..............................................................................11 Gráfico 2. Municipio Municipio de Itaguí. Vista en planta. planta. POT. ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ .................12 ...12 Gráfico 3. Perfil estratigráfic estratigráfico.................. o................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ......................15 ........15 Gráfico 4. Análisis Análisis granulométric granulométrico. o. ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................17 ...17 Gráfico 5. Ensayo Límite plástico......................................................................................................................17 Gráfico 6.Cazuela 6.Cazuela de Casagrande............. Casagrande........................... ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ....................18 ......18 Gráfico 7. Prensa Marshall. Marshall. ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ...............18 .18 Gráfico 8. Ensayo de C.B.R................................ C.B.R.............................................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................19 ..........19 Gráfico 9. Localizació Localizaciónn apiques. apiques. Calle 87............. 87 ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ......................20 ........20 Gráfico 10. Localización apiques. Ajizal............................................................................................................21 Gráfico 11. Caracterización de carga de referencia..........................................................................................22 Gráfico 12. Nomograma de diseño para pavimentos flexibles. flexibles. Método Método AASHTO 93. ..................... ........... ..................... ................ .....26 26 Grafico 13 Componentes del proceso de diseño empírico mecanicista................... mecanicista........ ..................... ..................... ..................... ................... ......... 33 Gráfico 14. Diagrama básico para el cálculo de esfuerzos y deformaciones de un pavimento flexible ............36 .......... ..36 Gráfico 15. Configuración Configuración de datos de diseño. diseño. .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ...............37 .37 Gráfico 16. Sección típica de pavimento flexible...............................................................................................38 Gráfico 17. Sección típica de pavimento flexible Ajizal.....................................................................................38
v CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
LISTA DE ANEXOS Pág. ANEXO A. Formatos de salida del programa elástico multicapa everstress y kenpave….………………..…… 43
vi CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
1. INTRODUCCIÓN. El Municipio de Itaguí adelanta la ejecución del proyecto de pavimentación de las vías urbanas en varias zonas donde se requiere la intervención estructural del pavimento para lo cual contempla procesos de intervención profunda con las técnicas de reciclaje y diseño nuevo. A partir de la exploración de campo y de la determinaciones de las propiedades de los suelos mediante los ensayos de laboratorio de rigor tales como la determinación de la capacidad de soporte de los suelos típicos medida en términos de CBR, se determinarán los espesores necesarios del pavimento, aplicando para el diseño, la metodología AASHTO 93 y su verificación por MÉTODO RACIONAL mediante el programa EVERSTRESS y KENPAVE que evaluará un modelo elástico multicapa, el cual contempla el diseño propuesto para el pavimento flexible, a partir de la modelación de los parámetros relacionados con la propiedades de los materiales de las distintas capas, sus espesores, las características del tránsito, etc. Cabe anotar que el método AASHTO 93 para diseño de pavimentos es mundialmente aceptado para tal fin, sin embargo, por ser este un método empírico requerirá de la modelación elástica multicapa para la verificación de esfuerzos y deformaciones y posterior aceptación del diseño de las alternativas planteadas mediante software debidamente sustentados.
Para el desarrollo del presente estudio se utilizó la siguiente metodología:
Como trabajo de campo se realizaron seis (6) apiques exploratorios, determinando algunas propiedades de los suelos y materiales encontrados.
•
De la zona del proyecto fueron traídas las muestras alteradas e inalteradas al laboratorio, con el fin de determinar los tipos de suelos y materiales más representativos de la zona. Para la determinación de la capacidad de soporte se tomó en base al trabajo de campo y de laboratorio, éste último basado principalmente en la determinación de la capacidad de soporte medida en términos de CBR.
•
La información tomada en campo y la determinada en el laboratorio y procesada en la oficina, fue consignada en cuadros descriptivos en el presente informe.
7 CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36 •
•
Con la información obtenida se llevó a cabo el diseño de las estructuras del pavimento por las metodologías anteriormente mencionadas de las cuales se seleccionó aquella estructura que cumplirá con los parámetros admisibles desde el punto de vista técnico y que sea la más viable económicamente.
Finalmente se procedió con la formulación de las conclusiones y recomendaciones necesarias, que se deberán tener en cuenta durante la construcción de la obra.
El presente informe contiene el estudio de suelos para llevar a cabo el diseño estructural del pavimento en el que se describen los trabajos de campo y laboratorio ejecutados con sus análisis, se presenta el diseño para la conformación de la estructura del pavimento de acuerdo con las condiciones de los suelos de subrasante, características del tránsito y de los materiales a utilizar durante el proceso constructivo y finalmente se formulan las conclusiones y recomendaciones orientadas a garantizar la seguridad y la estabilidad de la obra desde el punto de vista geotécnico. Adicionalmente se contempla la revisión del diseño estructural del pavimento del informe de consultoría realizado por la firma Evaltec S.A. para el municipio de Itaguí cuyo objeto es la ampliación de la calle 36 entre la glorieta Ditaires y la quebrada la Limona para lo cual contempló el cajeo de dicho tramo. Se pretende analizar la alternativa de reciclaje como una opción de intervención a ejecutar.
8 CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
2.
OBJETO DEL INFORME.
El objetivo específico del presente informe es la determinación de los espesores de la nueva estructura del pavimento para las vías objeto del estudio. 2.1
OBJETIVO ESPECÍFICO.
Evaluar detalladamente los suelos localizados en la zona y definir los espesores de estos que puedan llegar a ser afectados por las cargas del tránsito, para así generar soluciones estructurales que permitan definir las capas del pavimento necesario para el óptimo funcionamiento de la vía en estudio. 3.
ALCANCE GENERAL DEL PROYECTO.
El estudio para el diseño de la estructura de pavimento de las vías, tiene como alcances principales los siguientes: •
•
•
Determinación del perfil de suelos de la subrasante, para así determinar los materiales predominantes que conforman la subrasante. Realizar una descripción completa del perfil estratigráfico existente en la vía o zona del estudio, mediante la ejecución de seis apiques, hasta una profundidad que permita conocer el espesor en que los suelos puedan llegar a ser afectados por las cargas del tránsito. Definir de la investigación de campo y de laboratorio las variables necesarias para el diseño de espesores de la estructura del pavimento, en conjunto con el tránsito, materiales de construcción.
•
Ante la presencia de suelos con índices de plasticidad altos, indicar claramente su ubicación y dar recomendaciones concretas sobre el tratamiento que deban recibir durante la construcción del pavimento.
•
•
Análisis y diseño de alternativas para la estructura del pavimento, determinando la propuesta de diseño final. Generar recomendaciones necesarias para la colocación y conformación de la estructura de pavimento. 9
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
4. LOCALIZACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO. El proyecto se encuentra localizado en el Municipio de Itaguí en varios tramos en la zona urbana perimetralmente a Medellín en la zona norte y al sur – oriente con el corregimiento de San Antonio de Prado. El proyecto contempla tramos de pavimento existente y una franja de terreno cedido por el propietario aledaño a la vía. Este último corresponde al sector del Ajizal. 4.1. Sectores del proyecto. 1.
El primer sector se encuentra localizado en la calle 87 entre carreras 47 y 52 Av. guayabal.
2. 3.
El segundo sector del proyecto se localiza en la vía el ajizal. (ampliación). El tercer sector corresponde a la calle 36 entre la Glorieta Ditarires y la Quebrada La Limona.
En su totalidad se realizó seis (6) apiques localizado estratégicamente a lo largo de la vía en cuestión con el fin de analizar las muestras de suelo que constituyen los llenos existentes. existentes. Al evaluar la condición de un pavimento se busca calificar y cuantificar la habilidad del mismo para continuar proporcionando un buen servicio a los usuarios, con las tasas de tránsito presentes y proyectadas. Por lo tanto, para el cumplimiento de los objetivos anteriormente descritos se recopiló información de campo siguiendo los lineamientos propuestos por la Secretaría de Obras Públicas de Itaguí para así obtener datos sobre parámetros estructurales, que permitan trazar estrategias para propiciar una intervención integral de las vías.
10 CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
ITAGUÍ
Gráfico 1. Departamento de Antioquia. Municipio de Itaguí.
11 CAMI
P PR R O O O C I I V V I I L L L LT T D D D A A A OC D A I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L LE E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
Gráfico 2. Municipio de Itaguí. Vista en planta. POT.
12 CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
5. DETERMINACIÓN DE LOS SUELOS EXISTENTES.
5.1 ESTADO ACTUAL DE LA SUPERFICIE SUPERFICIE DE RODADURA. RODADURA. Se considera importante ilustrar la situación actual que corresponde a los daños de la estructura observados durante el recorrido de la vía en el sector 1 y 3. Se realizó una inspección inspección visual de la misma durante la evaluación geotécnica, y levantamiento de daños encontrándose deficiencias e insuficiencias funcionales y estructurales tales como: fisura transversal, fisura longitudinal, piel de cocodrilo, baches, hundimientos, pérdida de ligante, pérdida de agregado, agregado, parcheos a causa de reparaciones locales. Se han realizado intervenciones en su estructura desde su construcción. Se presentan fisuras
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
5. DETERMINACIÓN DE LOS SUELOS EXISTENTES.
5.1 ESTADO ACTUAL DE LA SUPERFICIE SUPERFICIE DE RODADURA. RODADURA. Se considera importante ilustrar la situación actual que corresponde a los daños de la estructura observados durante el recorrido de la vía en el sector 1 y 3. Se realizó una inspección inspección visual de la misma durante la evaluación geotécnica, y levantamiento de daños encontrándose deficiencias e insuficiencias funcionales y estructurales tales como: fisura transversal, fisura longitudinal, piel de cocodrilo, baches, hundimientos, pérdida de ligante, pérdida de agregado, agregado, parcheos a causa de reparaciones locales. Se han realizado intervenciones en su estructura desde su construcción. Se presentan fisuras ramificadas en varias direcciones con tendencias a piel de cocodrilo. Se observan parcheos por reparaciones locales distintos a la conservación y al mantenimiento, a excepción del sector 3 en la calle 36 donde se observa capas de pavimento de 15 cm correspondiente a dos sobrecapa de 7.5 cm. Presenta ahuellamientos puntuales a causa del alto tráfico que circula en el sector 3 y a problemas de las capas subyacentes. Los espesores encontrados son insuficientes y heterogéneos para las condiciones de carga. Presenta poca adherencia entre el material granular y el bituminoso a causa de las infiltraciones de aguas lluvias. Se observa a poca profundidad sobretamaños mayores a 6” lo que dificulta el proceso de una intervención profunda no mayor a 15 cm para el sector 1 en la calle 87. El deficiente estado de la sobrecarpeta asfáltica existente, así como una condición deficiente del pavimento, debido en buen porcentaje a las intervenciones relacionadas con las redes de alcantarillado, acueducto, teléfono, gas, incremento del parque automotor, y a la renovación de la capa de rodadura, etc, obligaron a la reconstrucción total del pavimento y a las necesidades de mejorar las condiciones estructurales para las nuevas proyecciones de tránsito existente. Lo anterior, por encontrarse a la periferia de la Central Mayorista de Antioquia para el sector 1 como también para el sector 3. Al observar una disminución de la capacidad portante y al aumentar la permeabilidad, el agrietamiento generalizado puede ser el comienzo de fallos más graves, produciéndose baches, desintegración del pavimento, ingiriendo a los materiales de las capas inferiores.
13 CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
6.
INVESTIGACIÓN Y EVALUACIÓN DE SUELOS PARA ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO FLEXIBLE.
Para la obtención de la información geotécnica básica de los diferentes tipos de suelos se efectuó investigaciones de campo y laboratorio que determinaron su distribución y propiedades físicas. Este capítulo permite determinar el comportamiento físico – mecánico de la estructura existente ante solicitaciones de carga y ambientales como también para pavimentos nuevos. Esta investigación de suelos comprende los siguientes aspectos: a)
Determinación del perfil de suelos : Consistió en la ejecución sistemática de una perforación
en el terreno, con el objeto de determinar la cantidad y extensión de los diferentes tipos de suelos, como la forma en que están dispuestos en capas. La exploración de campo consistió en la apertura de seis (6) apiques, que se llevó a profundidad de hasta 1.4 m y fue ubicado de la manera más conveniente conveniente de la zona de estudio con el fin de su representatividad. En los apiques realizados se observó y analizó detenidamente los suelos presentes. Se evaluó la estratigrafía y se tomaron muestras inalteradas y alteradas en bolsa y en costal para su posterior análisis en nuestro laboratorio, y en general algunos factores geotécnicos para garantizar el normal desarrollo del proyecto y del estudio del presente informe. Apique 1
Calle 87 con carrera 48 0.0 5.0 24
Calle 87 con carrera carrera 50
Apique 2
Carpeta asfáltica existente
0.0
Granular aluvial de color café. NL – NP Semicompacta. A-1-a GM - GC W = 17.4 % Tamaño máx. 2“
6.4
37
Limo arcilloso de color gris y café. Consistencia media. MH. A - 7 - 5 W = 56.3 % Tamaño máx. 6“
Carpeta asfáltica existente Granular aluvial de color café. NL – NP Semicompacta. A-2-4 GP W = 29.6 % Tamaño máx. 2 1/2 “ Limo arcilloso de color gris y café. Consistencia media. MH. A - 4 W = 66.1 % Tamaño máx. 5“
65 71
C.B.R. 3.7
C.B.R. 3.4
14 CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
Apique 3
Apique 4
Ajizal 0.0 11.0 22.0
Ajizal 0.0
Limo arcilloso de color gris y café. Consistencia media. Escombros MH. A - 4 W = 48.7 % Tamaño Tamaño máx. 1 “
15.0
Limo arcilloso de color gris y café. Consistencia media. ML. A - 2 - 4 W = 65.2 %
Limo arcilloso de color rojizo y amarillo con ladrillos Consistencia baja. MH. A 7-2 W = 39.4 % Tamaño Tamaño máx. 3 “ Limo arcilloso de color amarillo. Consistencia baja. MH. A - 7 - 5 W = 51.3 %
25.0
Arena limoso de color café. Consistencia media. ML. A - 7 - 5 W = 59.6 %
Limo arcilloso de color gris y café. Consistencia media. MH. A - 7 - 5 W = 48.9 % Tamaño Tamaño máx. 1 1/2 “
70
60.0
C.B.R. 5.6.
C.B.R. 3.6 Ajizal
Apique 5
0.0 30.0
Ajizal
Apique 6
0.0
Capa vegetal de color café oscuro. Limos Consistencia media. MH. A - 7 - 5 W = 29.0 % Tamaño Tamaño máx. 2 “
14.0
Limo arcilloso de color gris Consistencia media. MH. A - 7 - 5 W = 63.8 % Tamaño Tamaño máx. 6 “
Capa vegetal y Limo arcilloso de color café. Escombros y basuras. Consistencia media. MH. A - 7 - 5 W = 84.5 % Limo arcilloso Alta plasticidad de color gris y café. Consistencia media. media. ML. A - 7 - 5 W = 73.1 %
24.0 Limo arcilloso de color gris y café. Consistencia media. MH. A - 7 - 5 W = 58.9 %
39.0 70.0
Limo arcilloso de color gris y café. Consistencia media.
80.0
C.B.R. 3.0.
C.B.R. 1.8 Gráfico 3. Perfil estratigráfico.
Teniendo en cuenta que es imposible realizar un estudio que permita conocer el perfil de suelos en cada punto del proyecto, es necesario acudir a la experiencia, para determinar la localización de la perforación con base en la uniformidad que presentan los suelos. Lógicamente la ubicación, profundidad y número de perforaciones, deben ser tales que permitan determinar toda variación importante de la calidad de los suelos. En la perforación que se efectuó, se anotó el espesor de las diferentes capas encontradas, así como la identificación visual de los materiales, indicando su color y consistencia. Esta información quedó claramente registrada en el resumen de exploración de campo y análisis de laboratorio.
15 CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
Tabla 1 criterios para la ejecución de perforaciones en el terreno para definir un perfil de suelos.
b) Muestreo de las diferentes capas del suelo : En la perforación ejecutada se tomó diferentes muestras representativas de suelo de las diferentes capas de suelos encontradas. Las muestras suelen ser de dos tipos: Alteradas e inalteradas. Una muestra es alterada cuando no guarda las mismas condiciones en que se encontraba en el terreno, caso contrario ocurre cuando la muestra es inalterada. c) Ensayos de laboratorio : : A las muestras obtenidas se determinó sus propiedades físicas en relación con la estabilidad y capacidad de soporte de la subrasante. Con el objeto de establecer las propiedades físicas de cada suelo muestreado y estimar su comportamiento bajo diversas condiciones, es necesario efectuar varias pruebas. 1) Determinación del contenido de humedad : Permitió determinar la cantidad de agua presente en los suelos extraídos en términos de su peso en seco. Este parámetro nos permite definir a priori el tratamiento a darle, durante la construcción, sino que permite estimar su posible comportamiento, como subrasante, es decir, si el contenido de humedad está próximo al límite líquido, es casi seguro de que se está tratando un suelo muy sensitivo, y si por el contrario, el contenido de humedad del suelo está próximo al límite plástico, puede anticiparse que el suelo tendrá un buen comportamiento. Para el presente proyecto, se presenta altos contenidos de humedad lo que implica suelos de absorción alta, sin evacuación de agua y el represamiento de las mismas. 2) Análisis granulométrico : Esta prueba determinó cuantitativamente la distribución de los diferentes tamaños de partículas de suelo. El procedimiento para la determinación de dicho análisis fue por tamizado. 16 CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
Gráfico 4. Análisis granulométrico.
3) Determinación del límite plástico de los suelos: El límite plástico se define como la mínima cantidad de humedad con la cual se vuelve a la condición de plasticidad. En este estado el suelo puede ser deformado rápidamente o moldeado sin recuperación elástica, cambio de volumen, agrietamiento o desmoronamiento. En los análisis obtenidos permitieron observar la deformabilidad del material encontrado a causa de altas humedades.
Gráfico 5. Ensayo Límite plástico.
4) Determinación del límite líquido de los suelos : Este es el mayor contenido de humedad que puede tener un suelo sin pasar del estado plástico al líquido. El estado líquido se define como la condición en que la resistencia al corte del suelo es tan baja que un ligero esfuerzo lo hace fluir. El cálculo del índice de plasticidad es la diferencia numérica entre el límite líquido y el límite plástico, e indica el grado de contenido de humedad en el cual un suelo permanece en estado plástico antes de cambiar al estado líquido.
17 CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
Gráfico 6.Cazuela de Casagrande.
5) Determinación de la densidad del suelo: Este ensayo tiene por objeto determinar el peso seco de una cierta cantidad de suelo de la capa cuya densidad se desea conocer del orificio del cual se extrajo, es la densidad seca de la capa cuyo nivel de compactación se verifica. 6) Determinación de la resistencia de los suelos : Los ensayos de resistencia más difundidos en nuestro medio son el C.B.R. y el P.D.C. Este parámetro es una medida de la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo, bajo condiciones de densidad y humedad cuidadosamente controladas. Se usa en el diseño de pavimentos flexibles. Su valor se expresa en porcentaje, como la razón de la carga unitaria que se requiere para introducir un pistón a la misma profundidad en una muestra tipo de piedra partida. Este ensayo requiere de un molde con borde cortante para facilitar la penetración del mismo en el terreno. Se hinca aplicándole una carga (si el suelo es lo suficientemente blando) o golpeándolo, no sin antes ubicar un bloque de madera sobre el cilindro de CBR para evitar dañar su borde superior. Esta prueba se aplicó básicamente para suelos cohesivos, pues los suelos granulares se desmoronan y se saldrían del molde en el momento de extraerlo del sitio donde se hincó. Para el presente proyecto se calculó el CBR para las penetraciones de 0.1 y 0.2 pulgadas y se escoge el mayor como CBR del suelo ensayado.
Gráfico 7. Prensa Marshall.
18 CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
Gráfico 8. Ensayo de C.B.R.
19 CAMI
P PR R O O O C I I V V I I L L L LT T D D D A A A OC D A I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L LE E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
Gráfico 9. Localización apiques. Calle 87
20 CAMI
P PR R O O O C I I V V I I L L L LT T D D D A A A OC D A I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L LE E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
P PR R O O O C I I V V I I L L L LT T D D D A A A OC D A I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L LE E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
Gráfico 10. Localización apiques. Ajizal
21 CAMI
P PR R O O O C I I V V V I L L L LT T D D D A A A OC VI L L D A I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L LE E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
7. VARIABLE TRÁNSITO PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS Las características del tránsito y su distribución son factores determinantes en el diseño estructural del pavimento. El deterioro de los pavimentos no ocurre, sin embargo, bajo la aplicación de una sola carga. Es la aplicación repetida de ellas la que va acumulando efectos hasta producir la falla de la estructura. Los materiales de comportamiento elástico, tal el caso de las mezclas asfálticas que trabajan a baja temperatura, suelen fallar por fatiga elástica que se manifiesta superficialmente en forma de grietas conocidas como “piel de cocodrilo ”, ”, mientras que los materiales granulares y la subrasante suele acumular en el tiempo deformaciones permanentes que se traducen en ahuellamientos . En ambos casos, el resultado práctico es el mismo: la incapacidad de la estructura para cumplir en el futuro la misión para la cual fue construida. Para efectos del actual proyecto requiere de una intervención profunda.
P PR R O O O C I I V V V I L L L LT T D D D A A A OC VI L L D A I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L LE E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
7. VARIABLE TRÁNSITO PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS Las características del tránsito y su distribución son factores determinantes en el diseño estructural del pavimento. El deterioro de los pavimentos no ocurre, sin embargo, bajo la aplicación de una sola carga. Es la aplicación repetida de ellas la que va acumulando efectos hasta producir la falla de la estructura. Los materiales de comportamiento elástico, tal el caso de las mezclas asfálticas que trabajan a baja temperatura, suelen fallar por fatiga elástica que se manifiesta superficialmente en forma de grietas conocidas como “piel de cocodrilo ”, ”, mientras que los materiales granulares y la subrasante suele acumular en el tiempo deformaciones permanentes que se traducen en ahuellamientos . En ambos casos, el resultado práctico es el mismo: la incapacidad de la estructura para cumplir en el futuro la misión para la cual fue construida. Para efectos del actual proyecto requiere de una intervención profunda. El eje de referencia en Colombia es un eje simple con ruedas gemelas cuya carga es de 80 kN. El número de ejes equivalente es función de los valores de los conteos del tránsito en el año de puesta en servicio de este, de la taza de crecimiento durante la duración de vida, de la composición del tránsito y de la naturaleza de la estructura de pavimento.
Gráfico 11. Caracterización de carga de referencia.
22 CAMI
P PR R O O O C I I V V V I L L L LT T D D D A A A OC VI L L D A I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L LE E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
Una primera información sobre el volumen diario del tránsito de vehículos pesados en los sectores del proyecto generalmente es suficiente sin necesidad que se detalle su composición vehicular. Para el cálculo del dimensionamiento, este tránsito acumulado sobre la duración inicial de vida se tomará en cuenta en consideración a través de la noción del tránsito equivalente de 8.2 toneladas. El siguiente registro fue realizado para para la rehabilitación de la vía vía en la calzada de la calle 87 entre carreras 47 y 52 TPD = A = B = AÑOS = RATA = FC = n DE DISEÑO =
1125 0.7 0.3 365 0.05 1.8 10
N = TPD ×
A
B ×
100 100
×
365 ×
(1 + r )
n
−
ln(1 + r )
1
×
FC
Reemplazando en la anterior ecuación se obtiene que el tránsito de diseño para el año de puesta en servicio fuera de 2.000.000 ejes equivalentes. Por carecer de registros de conteos de tránsito actualizados, La secretaría de O.O.P.P. de Itaguí ha hecho una proyección para un periodo de diseño de 10 años a partir del conteo anterior por considerarse de características similares de un valor de: Sector 1. 1. Calle 87 entre carreras 47 y 52: N = 2 * 10 6 de Ejes Equivalentes de 8.2 toneladas correspondiente a una zona convergente de medio tráfico pesado y de proyección vehicular con la avenida guayabal, la autopista sur. Sector 2. 2. El Ajizal: N = 2 * 10 6 de Ejes Equivalentes de 8.2 toneladas. Este tráfico ya había sido considerado para el mismo sector en el informe No 4 de consultoría de esta oficina. A partir de dicha información se procederá a continuar con los cálculos objeto de este informe.
23 CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
8. DISEÑO DEL PAVIMENTO. Para el dimensionamiento del pavimento flexible se determinaron los espesores utilizando los métodos AASHTO 93 y verificación elástica por método RACIONAL. 8.1
DIMENSIONAMIENTO DE LA ESTRUCTURA.
8.1.1 Determinación de la estructura del pavimento “METODO AASHTO 93”
Con base en la información general y los parámetros de resistencia y tránsito anteriormente consignados se determina el número estructural requerido, y con los parámetros de diseño se obtuvo el dimensionamiento de de la estructura de pavimento, respetando los criterios de espesor mínimo planteados por el método de diseño AASTHO. De acuerdo con la AASHTO, si bien el coeficiente estructural de un concreto asfáltico de alta calidad para un pavimento nuevo puede ser de 0.44, se utiliza un coeficiente reducido para el mismo material. Se sugiere un valor de 0.35 (ver tabla 7.1). Esto equivale decir a un módulo de elasticidad de 1869 Mpa o su equivalente a 18966 kg/cm 2 El sistema de diseño AASHTO, calcula el espesor del recubrimiento requerido para proporcionar una vida de de servicio de 10 años, que satisface los criterios elásticos de diseño a la tensión y la deformación. El diseño de la sobrecapa para un pavimento flexible existente, esencialmente es la misma que para un diseño de pavimento nuevo. El pavimento flexible existente es caracterizado asignando los espesores apropiados y módulos de las capas existentes.
.
24
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
Tabla 2. Coeficientes estructurales estructurales sugeridos para materiales de pavimentos en servicio con rodadura asfáltica. asfáltica.
De acuerdo con el objetivo planteado, el diseño estructural de la alternativa seleccionada debería abarcar un periodo de vida útil no menor de 10 años y capaz de soportar las exigencias de tráfico que le implican al proyectarse durante este tiempo de operación. 8.1.1.1 Determinación del número estructural requerido.
Las variables de entrada son:
Tránsito estimado, W 18. Confiabilidad, R, la cual asume que todos los valores de entrada son promedios.
Desviación estándar total, S0.
.
25
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
Módulo resiliente de la subrasante, MR. Pérdida de serviciabilidad de diseño, PSI.
Ecuación 8.1
Donde: W18: Número predicho de repeticiones de ejes equivalentes de carga de 18 kips (80 kN). ZR: Desviación normal estándar. (ver tabla 4 y 5) S0: Error estándar combinado de la predicción del tránsito y la predicción del desempeño. PSI: Diferencia entre el índice de diseño inicial de serviciabilidad, p 0, y el índice de diseño final de serviciabilidad, pt. (ver criterio de desempeño). MR: Módulo resiliente (psi). SN es igual al número estructural indicativo del espesor total requerido de pavimento: En la gráfico 10 se presenta el nomograma de diseño para resolver la Ecuación 8.1 y obtener el número estructural SNef .
Gráfico 12. Nomograma de diseño para pavimentos flexibles. Método Método AASHTO 93.
Tabla 3. Confiabilidad sugerida para para varias clasificaciones viales.
.
26
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
.
Tabla 4 Valores de desviación normal normal para niveles seleccionados de de confiabilidad
Criterio de desempeño: Para el diseño de pavimento flexible se aplica el criterio de “pérdida de serviciabilidad”. Se recuerda que los pavimentos flexibles del Ensayo Vial AASHO tenían una serviciabilidad inicial, p0, de 4.2, mientras que la serviciabilidad terminal, pt, debe establecerse en consideración al tipo de vía, por ejemplo, 2 a 2.5 para grandes autopistas y menores a 2.0 para carreteras con un tránsito menos pesado.
Para efectos de diseño se aplica la Ecuación 8.2
Ecuación 8.2
El desempeño funcional del pavimento trata sobre lo bien que se sirve al usuario. En este contexto la característica dominante es el confort al viajar. Para cuantificar el confort del viaje se desarrolló el concepto de serviciabilidad – desempeño, el cual se usa como medida de desempeño en la ecuación de diseño. 8.1.1.2 Determinación del Número estructural estructural efectivo.
Ecuación 8.3
Donde:
ai = Coeficiente de capa. Di = Espesor de cada capa del pavimento. mi = Efecto de drenaje.
Los coeficientes de drenaje son solo para los materiales de base y subbase. Este mismo efecto no aplica para la carpeta asfáltica. .
27
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
El coeficiente de capa no refleja únicamente la capacidad del material de distribuir esfuerzos sino que también se constituye, de cierta forma, en una medida de la resistencia de dicho material. Asimismo, la posición del material en la estructura y el modo de daño (mecanismo de falla) pueden influir la relación entre el coeficiente de capa y el módulo elástico. 8.1.1.3
Determinación del Número estructural de la capa asfáltica nueva.
Ecuación 8.4
Donde: SN ol ol : Número estructural requerido de la carpeta asfáltica nueva.
Coeficiente estructural de la carpeta de concreto asfáltico. ol : Espesor de carpeta asfáltica de diseño requerido en pulgadas. D ol SN f f : Número estructural requerido para el tránsito futuro.
a ol ol :
SN ef ef : Número estructural efectivo del pavimento existente . 8.1.2
Parámetros de diseño.
Sector 1. Calle 87 entre Carreras 47 y 52. CBR DISEÑO SUBRASANTE CALLE 87 ENTRE CARRERAS 47 Y 52 BARRIO SAN FERNANDO 100 95 90 85 80 s 75 e l a u 70 g i o 65 s e r o 60 y a 55 m s e r 50
o l a v e d e j a t n e c r o P
7.4
4.5
45 40 35 30 25
y = 6.1475x1.3935 R2 = 1
20 15 10 5 0 2
.
3
4
5 CBR (%)
6
7
8
28
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
Resistencia de la Subrasante.
•
CBR de diseño = 6.8 %. (Método del Instituto del Asfalto). Percentil 87.5 % Tránsito. Tránsito.
•
Tránsito de diseño N = 2.*10 6 repeticiones de ejes equivalentes de 8.2 toneladas en el período de diseño para las vías de servicio. Confiabilidad del diseño.
•
Para este diseño se adoptará una confiabilidad del 85%, según el tipo de importancia de la vía, y le corresponde un valor de diseño Zr = -1.037 Para este diseño se adopta un valor de error estándar So = 0.45. Para pavimentos flexibles la AASHTO recomienda valores de So (0.40 – 0.50). Módulo resiliente de la subrasante.
•
Mr = 1500 x C.B.R. (psi) 10.200 Parámetros de entrada
Vías de servicios
Tránsito
2 * 10 ^ 6
Error Estándar PARÁMETROS DE DISEÑO
∆
0.45
ISP
2.2
Módulo Resiliente de Subrasante PSI NÚMERO ESTRUCTURAL REQUERIDO PARA EL TRANSITO FUTURO SNf.
10.200 3.19 OPCION 1
CAPAS ESTRUCTURA DISEÑADA
OPCION 2
Espesor (cm)
Coeficientes de capa
Espesor (cm)
Coeficientes de capa
Carpeta asfáltica MDC-2
10
0.35
10
0.35
Base granular reciclada
15 *
0.14
18 *
0.14
Subbase granular existente
24
0.11
21
0.11
NÚMERO ESTRUCTURAL PROPORCIONADO A LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO
3.24
•
(Prom.) de carpeta asfáltica asfáltica + 9.3 cm de base existente). existente). * Opción 1: reciclaje (5.7 cm (Prom.)
•
de carpeta asfáltica asfáltica + 12.3 cm de base existente). existente). * Opción 2: reciclaje (5.7 cm (Prom.) de
.
3.28
29
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
. Sector 2. El Ajizal. Ampliación. CBR DISEÑO SUBRASANTE AMPLIACIÓN EL AJIZAL 100
4.4
95 90 85
y = 9.7268x
80 s e l a u g i o s e r o y a m s e r o l a v e d e j a t n e c r o P
R = 0.9918
3.6
75
1.5631
2
70 65 60 55 50
3
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 2
3
4
5
CBR (%)
•
Resistencia de la Subrasante. CBR de diseño = 4.1%. (Método del Instituto del Asfalto). Percentil 87.5 %
•
Tránsito. Tránsito. Tránsito de diseño N = 2 * 10 6 repeticiones de ejes equivalentes de 8.2 toneladas en el período de diseño para las vías de servicio.
•
Confiabilidad del diseño.
Para este diseño se adoptará una confiabilidad del 85%, según el tipo de importancia de la vía, y le corresponde un valor de diseño Zr = -1.037 Para este diseño se adopta un valor de error estándar So = 0.45. Para pavimentos flexibles la AASHTO recomienda valores de So (0.40 – 0.50). •
Módulo resiliente de la subrasante.
Mr = 1500 x C.B.R. (psi). 6.150
.
30
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
Parámetros de entrada
Vías de servicios
Tránsito
2 * 10 ^ 6
Error Estándar PARÁMETROS DE DISEÑO
∆
0.45
ISP
2.2
Módulo Resiliente de Subrasante PSI NÚMERO ESTRUCTURAL REQUERIDO PARA EL TRANSITO FUTURO SNf.
6.150 3.80 OPCION 1
CAPAS ESTRUCTURA DISEÑADA
OPCION 2
Espesor (cm)
Coeficientes de capa
Espesor (cm)
Coeficientes de capa
Carpeta asfáltica MDC-2
5
0.35
12.5
0.35
Base Asfáltica
7.5
0.25
Base granular BG-1
20
0.14
20
0.14
Subbase granular BG-1
30
0.11
30
0.11
NÚMERO ESTRUCTURAL PROPORCIONADO A LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO
3.83
4.12
Sector 3. Calle 36 entre Glorieta Ditaires y la Limona. •
Resistencia de la Subrasante. CBR de diseño = 6.2%. (Método del Instituto del Asfalto). Percentil 87.5 %
•
Tránsito. Tránsito. Tránsito de diseño N = 11 * 10 6 repeticiones de ejes equivalentes de 8.2 toneladas en el período de diseño para las vías de servicio.
•
Confiabilidad del diseño.
Para este diseño se adoptará una confiabilidad del 98 %, según el tipo de importancia de la vía, y le corresponde un valor de diseño Zr = -1.037 Para este diseño se adopta un valor de error estándar So = 0.45. Para pavimentos flexibles la AASHTO recomienda valores de So (0.40 – 0.50). •
Módulo resiliente de la subrasante.
Mr = 1500 x C.B.R. (psi). 9.300
.
31
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
Parámetros de entrada
Vías de servicios
Tránsito
11 * 10 ^ 6
Error Estándar PARÁMETROS DE DISEÑO
∆
0.45
ISP
2.0
Módulo Resiliente de Subrasante PSI NÚMERO ESTRUCTURAL REQUERIDO PARA EL TRANSITO FUTURO SNf.
9.300 4.48 OPCION 1
CAPAS
ESTRUCTURA DISEÑADA
OPCION 2
Espesor (cm)
Coeficientes de capa
Espesor (cm)
Coeficientes de capa
Carpeta asfáltica MDC-2
10
0.35
20
0.35
Base Asfáltica
11
0.25
Base granular reciclada
25 *
0.14
25 *
0.14
Subbase granular existente
21
0.11
21
0.11
NÚMERO ESTRUCTURAL PROPORCIONADO A LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO
4.75
•
* Opción 1: reciclaje (15 cm de carpeta carpeta asfáltica + 10 cm de base existente). existente).
•
* Opción 2: reciclaje (15 cm de carpeta asfáltica + 10 cm de base existente).
5.04
Los datos de entrada para el diseño del reciclaje para el sector 3 fueron los inicialmente planteados por el consultor EVALTEC S.A. en su informe con el fin de respetar los parámetros allí planteados.
9. VERIFICACIÓN EMPÍRICA – MECANICISTA DEL DISEÑO. 9.1
BENEFICIOS DE UN DISEÑO EMPÍRICO – MECANICISTA.
Se ha previsto que con el uso de modelos mecanísticos-empíricos se creen diseños estructurales y económicamente más efectivos. Además se espera mejorar la confianza del del diseño, a la par que se reducen los costos a lo largo de la vida del pavimento. Otro beneficio de los modelos mecanísticos es la facilidad con la que distintas variables pueden ser evaluadas, y analizar analizar el impacto de ellos en la vida y condición del pavimento. Así, distintas cantidades de tráfico, o distintos tipos de materiales en pavimentos flexibles (asfalto) y rígidos (concreto) pueden ser evaluados; así como también el efecto del tiempo (envejecimiento) y la temperatura (variaciones durante el día y la noche y durante el verano y el invierno) pueden ser analizados y evaluados.
.
32
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
Sin embargo, no hay duda que la mejor ventaja del uso de este tipo de modelos, es que no estarían propensos a ser descontinuados por cambios en los materiales de construcción, tipos de tráfico y vehículos, o tipos y configuraciones de llantas, como lo son los modelos puramente empíricos. Los modelos podrían podrían ser recalibrados y validados continuamente con la adquisición de mayores y más detallados datos con el paso del tiempo.
Grafico 13 Componentes del proceso proceso de diseño empírico mecanicista. mecanicista.
9.2
MÓDULOS DE ELASTICIDAD DE LAS CAPAS DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO EXISTENTE.
La determinación de los módulos de las capas existentes que conforman la estructura de pavimento se llevó a cabo siguiendo la metodología Shell, en la cual el módulo de la capa i depende de su espesor y del módulo de la capa i - 1. es decir, de la subrasante. Sin embargo esta metodología tiene aplicación para estructuras máximo de cuatro capas. Los módulos de las capas para la estructura existente se obtuvieron a partir del módulo de la subrasante de diseño por C.B.R. E i
=
0.45
0.204 * ( H i )
* E i 1 −
Ecuación 10.1
Donde: Ei
= Módulo de la capa analizada (Kg./cm 2)
Hi Ei-1
= Espesor de la capa analizada (mm) = Módulo de la capa inferior a la capa analizada (Kg. /cm 2).
.
33
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
9.3
CÁLCULO DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES.
Involucrando la carga de referencia en el diseño, se pueden determinar esfuerzos y deformaciones en los puntos críticos de la estructura de pavimento, necesarios para el diseño.
Deformación horizontal por flexo – tracción en la fibra inferior de la carpeta de asfalto ( εt).
Esfuerzo vertical por compresión en la subrasante.
Una vez determinadas estos factores que solicitan a los distintos materiales por acción de la carga de referencia es necesario verificar que esos esfuerzos y deformaciones no superen las tensiones o deformaciones admisibles en función del número de repeticiones del eje de referencia previstas para la vida útil de diseño de acuerdo con las leyes de fatiga de los diferentes materiales que constituyen el pavimento, ajustándose las propiedades de los materiales hasta lograr su coincidencia. 9.3.1
Parámetros admisibles.
a) Ley de fatiga del concreto asfáltico. Este se manifiesta en el daño conocido como piel de o. Este fenómeno se controla en términos de la deformación unitaria por tracción cocodril o. (εt) en la fibra inferior de la capa más profunda que esté ligada con asfalto, bien sea una mezcla en caliente o con emulsión. Esta última observación es particularmente importante en la revisión de soluciones de rehabilitación que involucren sobrecarpetas. El criterio de falla por fatiga utilizado se expresa de la siguiente manera: Ecuación 10.2
t t = Deformación a flexo-tracción en la fibra inferior de la carpeta asfáltica
ε
N = Número de repeticiones admisibles para prevenir el agrietamiento por fatiga. K = Coeficiente de calage o Shift factor. (K = K1 x K2 x K3).
El coeficiente de calage relaciona el número de aplicaciones de carga reales, expresado en ejes de 8.2 Toneladas y el número de aplicaciones de carga en un ensayo de laboratorio en un equipo dinámico. El coeficiente de calage utilizado para efectos de cálculo de la ley de fatiga por agrietamiento fue de 8.25
.
34
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36 Autoreparación de pequeñas fisuras
K1
Distribución lateral de las cargas
K2
Mezclas abiertas % bajo de asfalto 2
Mezclas densas ricas en asfalto 10
Cualquiera 2.5
Autoreparación de pequeñas fisuras
K3
Espesores pequeños temperaturas bajas
Espesores altos temperaturas altas
1
0.33
Tabla 5 Coeficientes de Calage. Calage. Método Shell 78. 78.
Shift Factor o Factor de Calage : Generalmente, la “vida”, definida por la resistencia a la fatiga,
de un material asfáltico en el laboratorio es menor que la observada en campo debido a las siguientes diferencias entre las condiciones de los dos lugares:
En el campo existe un periodo de reposo aleatorio entre aplicaciones sucesivas de carga que le permite al material asfáltico recuperarse. Generalmente, la carga cíclica en el laboratorio se aplica de forma continua con periodos de reposo muy pequeños e iguales.
Después del paso de cada carga pueden permanecer esfuerzos residuales en la capa asfáltica de rodadura causados por la rueda en movimiento. Estos esfuerzos se relajan con el tiempo y después de cierto lapso, quedan esfuerzos remanentes muy pequeños. En el laboratorio los esfuerzos residuales aumentan en las muestras sometidas a fatiga y su magnitud es muy diferente comparada con aquellos presentes en campo .
Otra consideración importante es la variación lateral del tránsito. Las huellas de las ruedas difieren de un vehículo a otro. Por lo tanto, todas las ruedas de los vehículos no esfuerzan el mismo punto repetidamente. El promedio y la desviación estándar de la distribución lateral de la huella de la rueda debería tomarse en consideración en la formulación del tránsito de diseño.
De acuerdo con lo anterior, la “vida” estimada por fatiga en el el laboratorio debe multiplicarse por un “Shift Factor”, también llamado Factor de Calage, para obtener la vida por fatiga en el campo. Este concepto se utilizó previamente como parte de la función de los factores criterio de falla por agrietamiento.
expuestos para el
b) Ley de fatiga de la subrasante. Para estos materiales no ligados, el esfuerzo vertical de compresión admisible sobre la subrasante, se calcula mediante la expresión de Kerhoven y Dormon. .
35
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36 σ z
( MPa ) =
0.007 * Es
Ecuación 10.3
1 + 0.7 log N terreno
Para la determinación de este parámetro es necesario tener en cuenta el módulo resiliente de la subrasante de diseño para el tramo a evaluar, y el tránsito de diseño esperado para la vida útil o de servicio con el fin de obtener una relación de esfuerzos más acertada a las condiciones del suelo a la aplicación de carga.
Gráfico 14. Diagrama básico para el cálculo de esfuerzos y deformaciones de un pavimento flexible
9.4
CHEQUÉO DEL DISEÑO DE LAS SOLUCIONES UTILIZANDO EL MÉTODO RACIONAL.
La verificación de las soluciones se realizó utilizando utilizando el método racional con base en el programa EVERSTRESS, desarrollado por la WSDOT evaluando los requerimientos de diseño por tracción en las capas asfálticas y por compresión en la subrasante. Datos de entrada para el diseño racional • • • • •
Radio de carga: 10.8 cm. Presión de contacto: 549 Kpa. Distancia entre llantas: 32.4 cm. Tránsito esperado en término de ejes equivalentes: N Espesores de capas.(cm)
.
36
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36 • • • •
Módulo elástico de cada capa. (MPa) Relación de Poisson de cada capa. Se consideran ligadas las interfases entre capas. Carga de referencia: 8.2 Ton.
Gráfico 15. Configuración de datos de diseño. CHEQUEO RACIONAL EVERSTRESS – CALLE 87 ENTRE CARRERAS 47 Y 52 OPCIÓN 1
PARAMETROS ESTRUCTURALES
OPCIÓN 2
Espesor Relación de Condición Módulo Mpa Espesor cm cm Poisson de Liga
Capa de Rodadura
10
1860
0.35
L
10
Módulo Mpa
Relación de Condición Poisson de Liga
1860
0.35
L
Base Granular (reciclaje)
15
317.7
0.4
L
18
324.8
0 .4
L
Subbase Granular existente
24
161.8
0.4
L
21
152.36
0 .4
L
Subrasante
-
66.68
0.45
L
-
66.68
0.45
L
Parámetros Calculados Parámetros Admisibles
t1 Rodadura
2.64*10-4
z Subrasante
3.12*10-1 OK
ε σ
2.56*10-4
OK
3.07*10-1 OK
-4
t1 Rodadura
4.48*10-4 9.98*10-1
4.48*10 9.98*10-1
ε
z Subrasante
σ
OK
CHEQUEO RACIONAL KENPAVE – AVENIDA EL AJIZAL - AMPLIACIÓN PARAMETROS ESTRUCTURALES
OPCIÓN 1
OPCIÓN 2
Espesor Relación de Condición Módulo Mpa Espesor cm cm Poisson de Liga
Módulo Mpa
Relación de Condición Poisson de Liga
Capa de Rodadura
5
1860
0 .3 5
L
Base Asfáltica
7 .5
350
0 .3 5
L
Base Granular
20
241
0 .4
L
Subbase Granular
30
107.8
0 .4
L
Geotextil BX-40 o similar
-
-
-
-
-
-
-
-
Subrasante
-
40.2
0 .4 5
L
-
4 0 .2
0.45
L
Parámetros Calculados Parámetros Admisibles
.
12.5
1860
0.35
L
20
241
0 .4
L
30
1 0 7 .8
0 .4
L
t1 Rodadura
3.76*10
-4
OK
2.69*10
z Subrasante
1.95*10-1
OK
1.79*10-1 OK
ε
σ
t1 Rodadura
4.58*10-4
z Subrasante
6.01*10
ε
σ
-1
-4
OK
4.58*10-4 -1
6.01*10
37
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36 CHEQUEO RACIONAL KENPAVE – CALLE 36 ENTRE GLORIETA DITAIRES Y LA LIMONA PARAMETROS ESTRUCTURALES
OPCIÓN 1
OPCIÓN 2
Espesor Relación de Condición Módulo Mpa Espesor cm cm Poisson de Liga
Capa de Rodadura
10
1860
0.35
L
22
Módulo Mpa
Relación de Condición Poisson de Liga
1860
0.35
L
Base Asfáltica
11
350
0.35
L
Base Granular
25
343.3
0.4
L
25
343.3
0 .4
L
Subbase Granular
21
138.92
0.4
L
21
138.92
0 .4
L
Subrasante
-
60.8
0.45
L
6 0 .8
0.45
L
Parámetros Calculados Parámetros Admisibles
t1 Rodadura
1.64*10-4
OK
1.31*10-4
OK
z Subrasante
1.69*10-1 OK
1.38*10-1
OK
ε σ
t1 Rodadura
-4
3.47*10
3.47*10-4
z Subrasante
8.20*10-1
8.20*10-1
ε σ
Tabla 6. Resumen verificación verificación elástica multicapa. multicapa.
De los análisis realizados se puede concluir que la estructura diseñada cumple con los requerimientos de diseño por tracción en las capas asfálticas y por compresión en la subrasante.
Gráfico 16. Sección típica de pavimento flexible.
CA BA RIELES
RIELES
BG-1
SBG-1 Gráfico 17. Sección típica de pavimento flexible Ajizal.
.
38
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. •
•
En dicho tramo se deberá realizar el cajeo de capa orgánica o rellenos de basuras existentes mayores o igual a los espesores diseñados. Dicho espesor recomendado a cajear será hasta encontrar un suelo de subrasante libre de materia orgánica. En términos generales, para la construcción de las estructuras de pavimento, se debe garantizar que el suelo de subrasante esté libre de basura o algún material contaminante, y nivelada adecuadamente.
•
Para efectos de control de compactación durante la construcción, es necesario efectuar pruebas, que permitan conocer la máxima densidad y el óptimo contenido de humedad de los diferentes tipos de suelos.
•
•
El empalme con las vías existentes, se deberá realizar muy cuidadosamente, para que no se presenten desniveles considerables y fisuras en las juntas de empalme. La base granular, subbase granular y la carpeta asfáltica, deberán cumplir con las Normas para la construcción de pavimentos del Valle de Aburra o INVÍAS, en lo que se refiere a: Materiales - Procedimientos de Construcción - Preparación Preparación de la mezcla - Controles de calidad. calidad.
•
Se debe verificar periódicamente los materiales a utilizar en la obra, realizando previamente ensayos de laboratorio; además, durante el proceso constructivo se debe realizar el control de calidad con ensayos de campo y laboratorio.
•
El control de calidad durante la construcción, se lleva a cabo mediante la extracción de núcleos, los cuales se permite realizar ensayos de extracción de asfalto, granulometría, densidad, estabilidad de flujo y vacíos en la mezcla total. La humedad es un parámetro importante en los procesos de fabricación de mezclas, por lo tanto debe chequearse en la etapa de ejecución.
•
Para el suministro y aplicación de carpeta asfáltica se recomienda el tendido de 2 capas según opciones de diseño. Se debe tener en cuenta el uso de riego de liga para las capas intermedias de asfalto.
•
La imprimación consiste en el suministro, transportes, eventual calentamiento y aplicación uniforme de un ligante bituminoso sobre una superficie granular terminada, previamente a la
.
39
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
extensión de una capa asfáltica. Lo anterior debe de regirse a norma INV-Art. 400 y 420. o similar La importancia de estos sistemas de drenajes y un buen proceso constructivo se convierte en
•
el mejor sistema de prevención y duración de los pavimentos. Es así como la localización de sumideros debe de hacerse no mayor a 10 metros. Es necesario efectuar una revisión periódica a las alcantarillas construidas y efectuar mantenimientos antes de cada periodo invernal, con el fin de tomar las previsiones necesarias
•
para evitar una socavación incipiente. El concepto para obtener una buena distribución de esfuerzos intergranulares a través de las
•
capas estructurales se basa en que dichas capas están bien drenadas. Cuando las capas estructurales están completamente saturadas la transmisión de esfuerzos que se genera cuando, se inicia el paso de las cargas vehiculares, se da en forma casi completamente vertical, en consecuencia, el esfuerzo que le es transmitido directamente a la subrasante es casi igual al que sé esta generando en la superficie de rodadura, debido a que el agua es incompresible. La vida útil de un pavimento con un adecuado sistema de drenaje se aumenta hasta en un 40% gracias a su eficiencia, si este está correctamente diseñado, en comparación con uno
•
pobremente drenado o nulo”. Se estaría hablando que una vía que se proyectó para 10 años, si no se le construye sistema de drenaje, tendrá un período de vida de 4 años” SUGERENCIAS PARA EL FRESADO EN FRIO 1.
Los ensayos de laboratorio deben simular las verdaderas condiciones de trabajo de campo,
2.
con el fin de obtener el producto deseado. En cuanto a granulometría, los sobretamaños deben eliminarse, ya ya sea de manera manual o tamizado. Limitar el tamaño máximo a 2”
3. 4.
El exceso de arcilla, dificulta el reprocesamiento del material, afectando la estabilidad de la obra. Una capa reciclada en frió puede puede abrirse al trafico después después de un periodo que garantice el desarrollo de la suficiente resistencia de la capa en cuanto densidad se refiere.
Finalmente los resultados obtenidos a los parámetros anteriormente evaluados muestran una correlación acertada de una estructura completamente rehabilitada. .
40
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
11. LIMITACIONES. Las conclusiones y recomendaciones consignadas en el presente informe se basan en los resultados de las investigaciones de campo y laboratorio que se describen en los capítulos pertinentes y en la experiencia de los profesionales que participaron en el estudio. Si durante la etapa de construcción se encuentran condiciones diferentes a nivel de subrasante a las descritas como típicas en el presente informe, o proyecciones distintas de parámetros de diseño, se dará aviso a PROCIVIL LTDA para ajustar oportunamente si es del caso los parámetros del mismo. La estabilidad de la obra dependerá del proceso constructivo, calidad de materiales, el estado óptimo de los equipos y la mano de obra calificada y certificada para tal fin. Este documento no podrá ser reproducido ni utilizado para trabajos no realizados por PROCIVIL LTDA por ser propiedad intelectual del autor y requerirá de autorización expresa para para su utilización.´
.
41
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
12. BIBLIOGRAFÍA. •
•
•
AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. 1993. BENAVIDES BASTIDAS Carlos Alberto. Notas de clase del curso de Diseño de Pavimentos de la Universidad del Cauca – Popayán. MONTEJO FONSECA Alfonso. Ingeniería de pavimentos para carreteras- Universidad Católica de Colombia: Santafé de Bogotá. 1997.
•
•
•
•
.
MUÑOZ RICAURTE, Guillermo. Diseño y rehabilitación de pavimentos flexibles. 1998 ING. M.SC. JOSÉ N. GÓMEZ S. Comportamiento de modelos geotécnicos para estructuras de pavimento. INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS. “Guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras”, 2002. REYES LIZCANO, LIZCANO, Freddy Alberto. “Diseño racional de pavimentos”. 1ª edición. edición. Editorial Escuela Colombiana de Ingenieros, 2003.
42
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
ANEXO A
FORMATOS DE SALIDA DEL PROGRAMA ELÁSTICO EL ÁSTICO MULTICAPA EVERSTRESS
.
43
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
.
44
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
.
45
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
.
46
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
.
47
CAMI
P PR R O O C C I I V V V I L L L LT T D D A A A A VI L L I N S NG G E E N N I I E E R R O O S C S C I IV V I I L L E E S S
Diseño estructural del pavimento. Municipio de Itaguí. Calle 87 – El Ajizal – Calle 36
.
48
CAMI
