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Guía de Diseño de Pavimentos y Estabilización Mecánica de Subrasantes Blandas Compresibles con Geotextiles de alto módulo Fortex®
El presente documento está basado en el artículo “Diseño De Estructuras Granulares Para Pavimentos Reforzados Con Geosintéticos” presentado en el XV Simposio Colombiano sobre Ingeniería de Pavimentos realizado por la Universidad Javeriana en Marzo de 2005.
1.
Alcance
2.
Enfoque
A continuación se presentan los lineamientos para
El geotextil de alto módulo Fortex al colocarse
el diseño de subestructuras granulares reforzadas
directamente sobre la subrasante, revistiendo el
®
con geotextiles de alto módulo FORTEX , las
fondo de la estructura de pavimento, se comporta
cuales pueden emplearse como capas para
como una membrana cóncava hacia arriba que
mejoramiento
blandas
cubre una gran área y se tensiona por acción de la
compresibles ó como capas de subbase granular
sobrecarga del material de construcción, de los
en estructuras de pavimentos flexibles, rígidos o
vehículos y ante la compresibilidad del suelo de
articulados para todo tipo de vías, aeropuertos,
subrasante. Al deformarse esta membrana, se
caminos temporales o definitivos, locaciones,
generan tensiones sobre su plano que resultan en
alamedas, senderos peatonales, ciclorrutas, etc.
una reacción de sentido contrario a la sobrecarga
de
subrasantes
que se le impone al pavimento, disminuyendo el Dado el alto módulo de deformación de los ®
valor real aplicado a la subrasante. Lo anterior
geotextiles de alto módulo FORTEX su aporte se
significa reducción en la deformación resiliente del
cuantifica
de
conjunto subrasante – geotextil – capa granular,
soluciones que
disminución de la deformación permanente y
implican una reducción en el espesor de material
aumento general de la capacidad de soporte, lo
granular requerido, un comportamiento mecánico
cual es proporcional al módulo o resistencia del
estable a lo largo del tiempo por la alta durabilidad
geosintético seleccionado.
como
material granular,
del
geotextil
un espesor generando
frente
a
otros
equivalente
materiales
de
construcción y control de las deformaciones a largo plazo debido al bajo creep que este presenta.
3.
Secuencia para el Diseño
Adicionalmente, el geotextil aporta en cuanto a
A continuación se presenta la secuencia para el
separación entre materiales, filtro y refuerzo del
diseño, teniendo en cuenta que las capas
conjunto subrasante – granulares.
resultantes pueden considerarse como el espesor
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total de la estructura granular en caminos de bajo tránsito o como capas de subbase o capas de mejoramiento de subrasante en carreteras de alta especificación.
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3.1.
Diseño para Condición de Carga Cuasi-estática (Capas de Mejoramiento de Subrasante o Carreteras de Bajo Tránsito)
1. Definición del tipo de estructura según el proyecto Determinar si se trata de una capa de mejoramiento de subrasante o un pavimento para una carretera de bajo tránsito
EJEMPLO Supongamos el caso de una carretera sobre un suelo blando compresible con los siguientes valores de los parámetros de diseño:
2. Determinación de los parámetros de diseño Tránsito: Para el diseño de pavimento se establecieron dos etapas, la fase constructiva y la fase de operación. Para el análisis de la estabilización de la subrasante se considera el tránsito de construcción (Nc) y para la condición de operación el tránsito para el periodo de servicio de la vía (N).
El pavimento se proyecta para un N de 1.0 E +06 ejes equivalentes acumulados en un período de servicio de 10 años
Capacidad de soporte de la subrasante Es la resistencia del suelo de subrasante medida en términos de CBR (California Bearing Ratio) o intercepto de cohesión medido en la prueba de resistencia a la compresión inconfinada Cu. 3. Nivel de ahuellamiento tolerable (parámetro r) El parámetro r se ilustra en la carta de diseño, Figura 1. El valor de este parámetro corresponde a la deformación tolerable máxima de todo el sistema. El valor r corresponde a la longitud entre el punto más bajo entre las huellas o roderas de los vehículos y el punto más alto entre ellas; para efectos prácticos r corresponde a dos veces la profundidad de la huella. En la Figura 1 se presenta la carta de diseño para r=0.18 m (Ahuellamiento s=0.09m). 4. Determinar el espesor de material granular h´0 Es el espesor que requiere la estructura en condición no reforzada. Se determina en función del tránsito Nc para el nivel de deformación r previsto.
Para la etapa de construcción se prevé el movimiento de 4000 m3 para cada tramo de construcción en volquetas de eje simple con capacidad para 4 m3. Considerando dos pasadas por volqueta, se tienen aproximadamente 2000 repeticiones de carga. (Por facilidad de cálculo se supone que cada volqueta aplica una carga estándar de 8.2 ton) Nc = 2000 E La capacidad de soporte de la subrasante CBR es de 1.0%
Dado que se trata de una la capa de mejoramiento cuyo servicio al tráfico será temporal, se estima un valor de r de 0.18 m (ahuellamiento s = 0.09 m)
Utilizando la carta de diseño para r=0.18 (ver Figura 1) y para el valor considerado del tránsito de construcción se establece que h´0 = 0.56 m.
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5. Seleccionar el tipo de geosintético a utilizar Se recomienda utilizar el siguiente criterio: CBR
Geotextil
< 1.0
FORTEX® BX 90
> 1.0
FORTEX® BX 60
Dado que el CBR es de 1.0% se recomienda utilizar geotextil FORTEX® BX 60
Nota: el diseñador puede elegir varios materiales para hacer un análisis económico y determinar con cual de ellos logra mejores resultados. 6. Determinar la reducción de espesor ΔH Es el espesor de material granular que se ahorra al considerar el aporte del geotextil. Este valor se denomina ΔH y se lee del mismo ábaco 7. Determinar el espesor de material granular en la condición reforzada h´ Se determina como la diferencia entre h´0 y ΔH. 8. Resultado El resultado se presenta haciendo una comparación de espesores entre la condición no reforzada y la condición reforzada
Utilizando la misma carta de diseño (Figura 1) se establece que ΔH para FORTEX® BX 60 = 25 cm
Para este caso h´0 - ΔH = 56 – 25 = 31 cm
Para la condición no reforzada se requieren 56 cm de granulares, en tanto que para la condición reforzada con FORTEX® BX 60 se requieren 31 cm, lo cual equivale a un ahorro de 25 cm de material granular. Resultado Final para una carretera de bajo tránsito Material granular 31 cm Geotextil Fortex BX 60 SUBRASANTE
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ESPESOR DE AGREGADO (h` 0) Y REDUCCIÓN DE ESPESORES (D H) r = 0.180 m
1.0 0.9
2a
2a´
s
r
Posición inicial del geosintético
0.8
e
D H (m) - h 0 (m)
0.7 0.6 0.5 0.4 Nc = 10,000
0.3
Nc = 1,000
0.2 FORTEX® BX 90
Nc = 100
0.1 FORTEX® BX 60
Nc = 10
0.0 0
1
2
0
30
60
3
90
= 10 CBRN(%) 4
Cu (kPa)
120
Figura 1. Carta de diseño para r = 0.18 m. FORTEX®
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3.2.
Valoración de la Solución para Pavimentos de Alto Tránsito. Método Aashto 93
Dado que la metodología de diseño de capas de mejoramiento de subrasante con geotextiles de alto módulo Fortex, garantiza la suficiencia de la capa para soportar cierto número de repeticiones de carga, esta condición puede ser valorada mediante el coeficiente de aporte estructural Aa establecido en el método de diseño AASHTO – 93, el cual dimensiona la capacidad de cada capa como componente estructural a fin de alcanzar en suma el Número Estructural SN requerido para las condiciones de CBR, serviciabilidad y tránsito previsto. A continuación se presenta la secuencia para la valoración estructural del arreglo geotextil de alto módulo Fortex – capa granular diseñada.
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1. Verificar que el espesor de la capa granular cumpla con los siguientes criterios de espesores mínimos: Capas reforzadas con geotextiles FORTEX® CBR (%) 0.25 0.50 1.00 1.50 2.00 3.00
Espesor mínimo de la capa reforzada (cm) 50 40 30 25 22 18
SN máx 2.854 2.169 1.646 1.373 1.216 0.999
2. Determinar el SN requerido Determinar de acuerdo con los criterios de Nivel de Confiabilidad R, Desviación Estándar So, Nivel de serviciabilidad inicial pi, y Pérdida de serviciabilidad Δpsi.
EJEMPLO Para el caso en análisis, el espesor obtenido de la ® capa reforzada con geotextil FORTEX BX 60 fue de 31 cm para un CBR de 1.0%, mayor a los 30 que se indican en la guía.
Para el presente ejemplo se han supuesto: R : 90% So : 0.45 pi: 4.2 Δpsi : 2.2 Con base en lo anterior SN = 5.6
3. Colocar la capa reforzada con geotextil de alto módulo Fortex en la parte inferior de la estructura y asignar el valor de Aa Determinar según las Figuras 2 y verificar SN según el cuadro anterior 4. Colocar las demás capas del pavimento asignando los espesores, coeficientes de aporte estructural y coeficientes de drenaje necesarios para lograr el SN buscado 5. Presentación de resultados La solución usualmente se presenta haciendo un análisis comparativo entre la condición sin refuerzo y la condición con refuerzo geotextil de alto módulo Fortex
En la Figura 2 se obtiene un Aa = 0.14 para 31 cm de capa de mejoramiento reforzada con geosintético sobre un CBR de 1.0%. El SN de la capa, calculado para un coeficiente de drenaje m = 0.95 es 1.623, menor al 1.646 que se indica en el cuadro del paso 1. En la Figura 4 se observa un cuadro con la memoria de cálculo del ejemplo.
En la Figura 3 se presenta un cuadro con la memoria de cálculo en la condición sin refuerzo
6. Análisis El análisis de costos debe considerar además de los costos directos del material, los ahorros por concepto de excavación y transporte de material a botadero, disminución de imprevistos (fallos), reducción del tiempo de construcción y mayor estabilidad de obra. Generalmente, todo proyecto vial considera el diseño de capas de mejoramiento de subrasante, dada la
Para este caso, se tiene en siguiente análisis comparativo: Costo Unitario Costo total ($) ($) CA 2 250000 5000 BG 4 45000 1800 SBG 2 30000 600 MEJ 25 28000 7000 Ahorro a costo directo. No incluye ahorro por 14400 excavación y transporte a botadero capa
Ahorro (cm)
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variabilidad en las condiciones del suelo de subrasante a lo largo del corredor vial. Utilizando geotextil, con un solo material se logra separación y refuerzo, lo cual representa mayor facilidad de construcción, mejor desempeño estructural y funcional y mayor durabilidad del pavimento, a menores costos.
Como se aprecia, el ahorro obtenido es importante. El costo del geotextil varía entre 2500 y 6500 $/m2, valor que llega cuando más al 44% del valor del ahorro indicado para este caso. El resultado final sería el presentado en la Figura 4
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Curvas de Aa Vs CBR para diferentes espesores de capas reforzadas con geotextiles de alto módulo Fortex (m) 0.25
0.20
Aa
0.15 0.14
0.10
0.05
0.00 0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
CBR %
h=0.20
h=0.22
h=0.25
h=0.30
h=0.40
h=0.50
®
Figura 1 Curvas de Aa para el arreglo FORTEX – capa de material granular
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DISEÑO DE PAVIMENTOS MÉTODO AASHTO-93
CONDICIÓN SIN REFUERZO PARÁMETRO
VALOR
Tránsito
1.00E+06
R
90
So
0.45
ZR
-1.282
DESVIACION ESTANDAR NORMAL
SN
5.655
NUMERO ESTRUCTURAL COLOCADO SN = (ai*mi*hi)
pi
4.2
INDICE DE SERVICIO INICIAL
pt
2.0
INDICE DE SERVICIO FINAL
DPSI
2.2
PERDIDA DE SERVICIABILIDAD FINAL
CBR
1.0
(%) CBR DE LA SUBRASANTE
MR
1,500
Log(W18) (Ecuación)
6.03
Log ( W18)
6.00
NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES ACUMULADOS DE 8.2 TON PARA EL PERÍODO DE DISEÑO (%) CONFIABILIDAD ERROR ESTANDAR COMBINADO DE LAS PREDICCIONES DE TRANSITO
(psi) MODULO RESILIENTE DE LA SUBRASANTE
a
COEFICIENTE ESTRUCTURAL
m
COEFICIENTE DE DRENAJE
ESTRUCTURA Espesor
Material
cm
pulg
12.0 19.0 30.0 56.0
4.72 7.48 11.81 22.05
Rodadura Asf Base granular Subbase granular Mejoramiento T max 4" Subrasante
DE
PAVIMENTO
Módulo Dinámico Kg/cm2
PSI
31,000 2,800 1,350 500 105
442,857 40,000 19,286 7,143 1,500
a
m
0.443 0.169 0.134 0.036
1.00 1.00 0.98 0.95
SN
2.093 1.264 1.548 0.750
5.655 3.562 2.299 0.750
117.0
N Nf
ANÁLISIS 1.00E+06 1.08E+06
NÚMERO DE APLICACIONES DE EJES EQUIVALENTES PREVISTOS QUE ACTUARÁN EN EL PERÍODO DE DISEÑO NÚMERO DE APLICACIONES DE EJES EQUIVALENTES QUE SOPORTARÁ LA ESTRUCTURA
DISEÑO OK
Figura 2 Memoria de cálculo condición sin refuerzo geosintético
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DISEÑO DE PAVIMENTOS MÉTODO AASHTO-93
CONDICIÓN CON REFUERZO PARÁMETRO
VALOR
Tránsito
1.00E+06
R
90
So
0.45
ZR
-1.282
DESVIACION ESTANDAR NORMAL
SN
5.603
NUMERO ESTRUCTURAL COLOCADO SN = (ai*mi*hi)
pi
4.2
INDICE DE SERVICIO INICIAL
pt
2.0
INDICE DE SERVICIO FINAL
DPSI
2.2
PERDIDA DE SERVICIABILIDAD FINAL
CBR
1.0
(%) CBR DE LA SUBRASANTE
MR
1,500
Log(W18) (Ecuación)
6.00
Log ( W18)
6.00
NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES ACUMULADOS DE 8.2 TON PARA EL PERÍODO DE DISEÑO (%) CONFIABILIDAD ERROR ESTANDAR COMBINADO DE LAS PREDICCIONES DE TRANSITO
(psi) MODULO RESILIENTE DE LA SUBRASANTE
a
COEFICIENTE ESTRUCTURAL
m
COEFICIENTE DE DRENAJE
ESTRUCTURA Espesor
DE
Material
cm
pulg
10.0 15.0 28.0 31.0
3.94 5.91 11.02 12.20
PAVIMENTO
Módulo Dinámico Kg/cm2
PSI
Rodadura Asf Base granular Subbase granular Mejoramiento T max 4"
31,000 2,500 1,200
442,857 35,714 17,143
Subrasante
105
1,500
a
m
0.443 0.157 0.122 0.140
1.00 0.99 0.98 0.95
SN
1.745 0.916 1.319 1.623
5.603 3.859 2.943 1.623
84.0 Geotextil de alto módulo Fortex BX 60
N Nf
ANÁLISIS 1.00E+06 1.00E+06
NÚMERO DE APLICACIONES DE EJES EQUIVALENTES PREVISTOS QUE ACTUARÁN EN EL PERÍODO DE DISEÑO NÚMERO DE APLICACIONES DE EJES EQUIVALENTES QUE SOPORTARÁ LA ESTRUCTURA
DISEÑO OK
Figura 3 Memoria de cálculo condición con refuerzo geosintético
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4.
Conclusiones y Recomendaciones
mecánico de éstas y la interacción suelo – estructura.
El
procedimiento
indicado
arroja
resultados que facilitan el análisis de la estructura
5.
Referencias
de pavimento tanto para la etapa de construcción como para la etapa de servicio. La determinación del espesor mínimo de material que se requiere colocar bajo condición de carga cuasi-estática pone a salvaguardo al suelo de subrasante ante
[1] Giroud J.P., and Noiray, L. (1981) “Geotextile Reinforced Unpaved Roads Design,” Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol 107, No GT9, pp 1233 – 1254
fallas por capacidad portante debidas al peso de los equipos de construcción. Una vez construida, esta capa puede considerarse como el total o parte de la subbase granular, pudiendo acogerse en forma práctica métodos tradicionales de diseño de pavimentos para completar el dimensionamiento
[2] Perkins, S.W. y Ismeik, M. (1997 a) “A Synthesis
and
Reinforced
Evaluation
Base
Pavements:Part I”,
of
Layers
Geosynthetic in
Flexible
Geosynthetics International
Vol. 4 No. 6, pp 605 – 621.
de la estructura.
La presencia del geotextil de alto módulo
Fortex permite llevar el suelo de subrasante a un mayor nivel de esfuerzo y deformación, dado que se incorpora un refuerzo a tensión que el suelo por
[3] Bender, D.A. y Barenberg, E.J. (1978) “Design and Behavior of Soil-Fabric-Aggregate Systems”, Transportation
Research
Record
671,
TRB,
Washington, pp 64 – 75
si solo no resiste.
El aporte del geotextil de alto módulo Fortex a
la estructura del pavimento permite reducir los espesores
de
material
granular
requeridos
convencionalmente para una capacidad de soporte dada.
A mayor módulo de deformación del geotextil
[4] Webster, S.L. y Watkins, J.E., “Investigation of Construction
Techniques
for
Tactical
Bridge
Approach Roads Across Soft Ground”. Technical Report S-77-1, United States Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg , Miss, Feb, 1977.
de alto módulo Fortex, mayor beneficio para un nivel de ahuellamiento dado.
[5] Webster, S.L. y Alford, S.J., “Investigation of
El geotextil, al cubrir una gran área confinada
Construction Concepts for Pavements Across Soft
por material granular trabaja como una membrana
Ground”. Technical Report S-78-6, United States
que refuerza la interfase, ampliando la distribución
Army Engineer Waterways Experiment Station,
de esfuerzos hacia las capas de suelo inferiores y
Vicksburg , Miss, July, 1978.
generando confinamiento en las capas superiores de material, con lo cual se mejora el desempeño
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[6] Headquarters, Department of The Army (2003).
módulo Fortex. Anales de Ingeniería No 887, Abril
Technical Letter TL 1110-1-189. “Use of Geogrids
– Septiembre de 2003. Sociedad Colombiana de
In Pavement Construction”
Ingenieros.
[7] Houlsby G.T., Jewell R. A. (1990) “Design of
[14] Giroud, J.P., Ah-Line, C. and Bonaparte, N.,
reinforced unpaved roads for small rut depths”.
“Design of Unpaved Roads and Trafficked Areas
Proceedings of the Fourth International Conference
with Geogrids Reinforcement,” Proc Symp. Polimer
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Products,
Geomembranes and Related
Balkema,
Vol
1,
The
Hague,
23, 1984, ICE, London, Paper # 4.1.
Netherlands, pp 171 - 176 [15] Meyer, N., Elias, J.M. “Design Methods for [8] Koerner, R.M. “Designing With Geosynthetics”
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Composites
for
Proceedings of
Subbase
Stabilization”
the German Conference on
[9] Love, J.P., Burd, H.J., Milligan G.W.E. y
Geosynthetics “Kunststoffe in der Geotechnik”,
Houlsby G.T. (1987) “Analytical and Model Studies
Technical University Munich, March 1.999.
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Clay
Subgrade”
Canadian
Geotechnical
Journal, Vol 24, No. 4, pp 611 – 622.
[16] Kamel A.M., CHANDRA S., KUMAR P., “Behavior of
Subgrade Soil Reinforced with
Geogrid”. The International Journal of Pavement [10] Houlsby G.T., Milligan G.W.E., Jewell R.A. y
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Unpaved Roads – Part I”. Ground Engineering , Vol 22 No. 3.
[11] Vesic A.S., (1975) “Bearing Capacity of Shallow
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