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Diseño de Pavimentos

2.3.

Suelo de subrasante

El suelo de subrasante de pavimentos generalmente puede ser un compuesto de suelo o roca natural, terraplén, pedraplén, capas de mejoramiento, geosintéticos, suelos estabilizados, entre otros; que cumplirá la función de apoyo de la estructura de pavimento. Es una subestructura semi-infinita delimitada por el nivel de subrasante en su parte superior. El valor de diseño del suelo de subrasante para un pavimento flexible es el módulo resiliente (MR) y para un pavimento rígido es el módulo de reacción (k).

2.3.1. Estudio de suelos El estudio de suelos de subrasante es de fundamental importancia para el diseño estructural de pavimentos debido a que se trata de uno de los factores de mayor incidencia. En nuestro país y para el caso de estudio de suelos de pavimentos urbanos debemos ceñirnos a lo dispuesto en la Norma Técnica: CE.010 Pavimentos Urbanos del Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE) y en el caso de pavimentos carreteros a lo dispuesto en el Manual de “Suelos, Geología, Geotecnia y Pavimentos” en su Sección Suelos y Pavimentos que forma parte de los Manuales de Carreteras establecidos por el Reglamento Nacional de Gestión de Infraestructura Vial aprobado por D.S. N° 0342008-MTC. Estas normas se complementan con la Norma Técnica E.050 que en su actualización de noviembre 2018 incluye artículos que extienden su aplicación al caso de las obras viales. Norma Técnica E.050 Forma parte del Reglamento Nacional de Edificaciones, para el caso de estudios de mecánica de suelos en obras viales se deben considerar como mínimo lo siguiente: a) Objeto de la Norma. Establecer tos requisitos mínimos para la ejecución de Estudios de Mecánica de Suelos (EMS), con fines de cimentación de edificaciones y otras obras indicadas (Art. 1). b) Ámbito de aplicación. Comprende todo el territorio nacional en concordancia a la norma G.010 (Art. 3) c) Estudios de Mecánica de Suelos. Son aquellos estudios que cumplen todos los requisitos establecidos en la NT E.050, con el programa de exploración detallado en el Art. 15 y Art. 16. Y que se realizan con fines de: - Diseño de cimentaciones - Diseño de pavimentos - Estabilidad de Taludes - Diseño de instalaciones sanitarias de agua y alcantarillado - Cualquier combinación de los cuatro anteriores d) Programa de exploración de campo y ensayos de laboratorio. Según lo detallado en el Art. 15, comprende: - Condiciones de frontera - Número n de puntos de exploración - Profundidad p a alcanzar en cada punto - Distribución de los puntos en la superficie del terreno - Número y tipo de muestras a extraer - Ensayos a realizar ’in situ' y en el laboratorio e) Informe del EMS. El informe del Estudio de Mecánica de Suelos comprende (Art. 16): - Memoria Descriptiva Wilfredo Supo

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Planos de Ubicación de las Obras y de Distribución de los Puntos de exploración Perfiles de Suelos Resultados de los Ensayos "in situ" y de Laboratorio

Pavimentos urbanos. La Norma Técnica CE.010 en el Capítulo 2: Información Previa para la Ejecución de los Estudios y Diseños Previamente a la ejecución del Estudio de Mecánica de Suelos (EMS) y al diseño del pavimento, se requiere conocer la ubicación y la topografía del terreno para lo que la entidad propietaria debe proporcionar al profesional responsable un plano topográfico mostrando los linderos, obras existentes, ubicación de las vías a pavimentar, límites de obras de pavimentación vecinas, tipo y estado de los pavimentos existentes, disposición de acequias, postes, buzones, drenajes y toda obra que interfiera con las pistas, veredas y estacionamientos del Proyecto. Asimismo, se requiere contar con los planos de planta y perfil donde se Indique el perfil del terreno y el perfil longitudinal a nivel de rasante. También deberá proporcionar la historia del lugar, respecto de zonas bajas rellenadas con desmontes, presencia de estructuras enterradas, antiguas acumulaciones o cursos de agua, tierras de cultivo, etc. Debe considerarse en este aspecto de información previa del EMS lo estipulado en el Art. 13 de la NT E.050. Como parte del proyecto el profesional responsable debe entregar: información concerniente a la calidad, espesores y estado de los pavimentos existentes; características del tránsito esperado durante el Periodo de Diseño; y a la disponibilidad de materiales que conformarán las capas del pavimento, complementariamente de ser necesario se debe incluir información adicional referente al clima, geología, geomorfología, fotografías aéreas, etc. El Capítulo 3: Técnicas de Investigación de Campo, Ensayos de Laboratorio, Requisitos de los Materiales y Pruebas de Control, debe ser aplicado en conjunción a la NT E.050 en cuanto a los requisitos que debe cumplir el Estudio de Mecánica de Suelos. Respecto a la cantidad de puntos y profundidad mínima de exploración, establece que: El número de puntos de investigación será de acuerdo con el tipo de vía según se indica en la Tabla 21, con un mínimo de tres (03):

Tabla 1. Número de puntos de investigación vías urbanas, (MVCS, 2010, p. 4) -

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Los puntos de investigación se ubicarán preferentemente en los cruces de vías, pudiendo emplearse puntos intermedios, que permitan establecer la estratigrafía a lo largo de la vía. En el caso de reposición de pavimentos cortados para instalación o reparación de servicios, se ejecutará un punto de investigación cada 100 metros con un mínimo de tres (03). La profundidad mínima de investigación será de 1,50 m por debajo de la cota de rasante final de la vía.

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SI dentro de la profundidad explorada se encontraran suelos blandos o altamente compresibles, la profundidad de investigación deberá ampliarse a criterio del profesional responsable. Donde exista rellenos no controlados se deberá investigar en todo su espesor debiendo profundizarse no menos de 0,50 m dentro del suelo natural. Donde se encuentren macizos rocosos dentro de la profundidad de investigación, se deberá registrar su profundidad y grado de fracturamiento y estimar su resistencia a la compresión. Efectuados el registro de la estratigrafía, el muestreo y la toma de fotografía, se deberá rellenar las excavaciones con los materiales extraídos. Durante la Investigación de campo se elaborará un perfil estratigráflco para cada punto de investigación, basado en la clasificación visual manual, según la NTP 339.150 En caso de encontrar suelos finos no plásticos dentro de la profundidad de investigación, se deberán ejecutar ensayos para determinar su densidad natural. Se tomará por lo menos una muestra representativa de cada tipo de suelo para su posterior ensayo de laboratorio. según las normas respectivas indicadas en la Tabla 23. Se determinará un CBR por cada 5 puntos de investigación o menos según lo Indicado en la Tabla 21 y por lo menos un CBR por cada tipo de suelo de subrasante. NORMA

DENOMINACIÓN

MTC E 101 -2000

Pozos, calicatas, trincheras y zanjas

NTP 339.129:1998

SUELOS. Método de Prueba Estándar para el Contenido de Humedad del Suelo y Roca In-situ por Métodos Nucleares (poca profundidad)

NTP 339.143:1999

SUELOS. Método de Ensayo Estándar para la Densidad y el Peso Unitario del Suelo In-situ Mediante el Método del Cono de Arena.

NTP 339.144:1999

SUELOS. Método de Ensayo Estándar para la Densidad In-situ de Suelo y SueloAgregado por medio de Métodos Nucleares (Profundidad Superficial).

ASTM D4944

Determinación de la humedad en suelos por medio de la presión del gas generado por carburo de calcio.

NTP 339.150:2001

SUELOS. Descripción e Identificación de Suelos. Procedimiento Visual-Manual.

NTP 339.161:2001

SUELOS. Práctica para la Investigación y Muestreo de Suelos por Perforaciones con Barrena.

NTP 339.169:2002

SUELOS. Muestreo Geotécnico de Suelos con Tubos de Pared Delgada

NTP 339.172:2002

SUELOS. Método de prueba normalizada para el contenido de humedad de suelo y roca in situ por métodos nucleares (poca profundidad).

NTP 339.175:2002 ASTM D 6951

SUELOS. Método de Ensayo Normalizado In-situ para CBR (California Bearing Ratio-Relación del Valor Soporte) de Suelos Método Estándar de Ensayo para el Uso del Penetrómetro Dinámico de Cono en Aplicaciones Superficiales de Pavimentos

Tabla 2. Técnicas de investigación de campo, (MVCS, 2010, p. 4)

NORMA

DENOMINACIÓN

NTP 339.126:1998

SUELOS. Métodos para la reducción de las muestras de campo a tamaños de muestras de ensayo.

NTP 339.127:1998

SUELOS. Método de ensayo para determinar el contenido de humedad de un suelo.

NTP 339.128:1998

SUELOS. Método de ensayo para el análisis granulométrico.

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NORMA

DENOMINACIÓN

NTP 339.129:1998

SUELOS. Método de ensayo para determinar el límite líquido, límite plástico, e índice de plasticidad de suelos.

NTP 339.131:1998

SUELOS. Método de ensayo para determinar el peso específico relativo de sólidos.

NTP 339.132:1998

SUELOS. Método de ensayo para determinar el material que pasa el tamiz N°200.

NTP 339.134:1998

SUELOS. Método para la clasificación de suelos con propósitos de ingeniería S.U.C.S.

NTP 339.135:1998

SUELOS. Clasificación de suelos para uso en vías de transporte.

NTP 339.139:1999

SUELOS. Determinación del Peso volumétrico de suelos cohesivos.

NTP 339.140:1999

SUELOS. Límite de contracción.

NTP 339.141:1999

SUELOS. Relación Humedad-Densidad por método de Proctor Modificado.

NTP 339.142:1999

SUELOS. Relación Humedad-Densidad por método de Proctor Estándar.

NTP 339.144:1999

SUELOS. Densidad in-situ de suelo y suelo-agregado por métodos nucleares (poca profundidad).

NTP 339.145:1999

SUELOS. Determinación del CBR (California Bearing Ratio -Valor Soporte de California) medido en muestras compactadas en laboratorio.

NTP 339.146:2000

SUELOS. Equivalente de arena de suelos y agregados finos.

NTP 339.147:2000

SUELOS. Permeabilidad en suelos granulares, método de carga constante

NTP 339.152:2002

SUELOS. Método de Ensayo Normalizado para la Determinación del Contenido de Sales Solubles en Suelos y Aguas Subterráneas.

NTP 339.177:2002

SUELOS. Método de Ensayo Para la Determinación Cuantitativa de Cloruros solubles en suelos y agua subterránea.

NTP 339.076:1982

CONCRETO. Método de Ensayo Para Determinar el Contenido de Cloruros en las Aguas Usadas en la Elaboración de Concretos y Morteros.

Tabla 3. Ensayos de laboratorio, (MVCS, 2010, p. 5) Pavimentos del Sistema Nacional de Carreteras. El Manual de Carreteras del MTC, define los aspectos principales a definir en un estudio geotécnico del suelo de fundación con fines de diseño estructural de pavimentos y comprende: a) Exploración de suelos y rocas Se aplicará para todos los efectos el procedimiento establecido en las normas MTC E101, MTC E 102, MTC E 103 y MTC E 104, que se basan en las normas AASHTO T 86-90 y ASTM D420-69. Para la exploración de suelos y rocas primero deberá efectuarse un reconocimiento del terreno y como resultado de ello un programa de exploración e investigación de campo a lo largo de la vía y en las zonas de préstamo, para de esta manera identificar los diferentes tipos de suelo que puedan presentarse. El reconocimiento del terreno permitirá identificar los cortes naturales y/o artificiales, definir los principales estratos de suelos superficiales, delimitar las zonas en las cuales los suelos presentan características similares, asimismo Identificar las zonas de riesgo o poco recomendables para emplazar el trazo de la vía.

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El programa de exploración e investigación de campo Incluirá la ejecución de calicatas o pozos exploratorios, cuyo espaciamiento dependerá fundamentalmente de las características de los materiales subyacentes en el trazo de la vía. Generalmente están espaciadas entre 250 m y 2,000 m, pero pueden estar más próximas dependiendo de puntos singulares, como en los casos de: -

cambio en la topografía de la zona en estudio; por la naturaleza de los suelos o cuando los suelos se presentan en forma errática o irregular delimitar las zonas en que se detecten suelos que se consideren Insuficientes o inadecuados; zonas que soportarán terraplenes o rellenos de altura mayor a 5.0 m; zonas donde la rasante se ubica muy próxima al terreno natural (h < 0.6 m); en zonas de corte, se ubicarán los puntos de cambio de corte a terraplén o de terraplén a corte, para conocer el material a nivel de subrasante.

Obtener de cada estrato de las calicatas o pozos exploratorios, muestras representativas en número y cantidades suficientes de suelo o de roca, o de ambos, de cada material que sea importante para el diseño y la construcción. El tamaño y tipo de muestra depende del ensayo que está regulada por la norma correspondiente. El objeto de este procedimiento es obtener un perfil estratigráfico de los suelos (eje y bordes), debidamente acotado en un espesor no menor a 1.50 m, teniendo como nivel superior la línea de subrasante del diseño geométrico vial y debajo de ella, espesores y tipos de suelos del terraplén y los del terreno natural, con indicación de sus propiedades o características y los parámetros básicos para el diseño de pavimentos. Para obtener el perfil estratigráfico en zonas donde existirán cortes cerrados, se efectuarán métodos geofísicos de prospección que permitan determinar la naturaleza y características de los suelos y/o roca subyacente (según Norma MTC E 101). b) Caracterización de la subrasante Con el objeto de determinar las características físico-mecánicas de los materiales de la subrasante se llevarán a cabo Investigaciones mediante la ejecución de pozos exploratorios o calicatas de 1.5m de profundidad mínima desde el nivel de subrasante; el número mínimo de calicatas por kilómetro, estará de acuerdo a la Tabla 25. Las calicatas se ubicarán longitudinalmente y en forma alternada, dentro de la faja que cubre el ancho de la calzada, a distancias aproximadamente iguales; para luego, si se considera necesario, densificar la exploración en puntos singulares del trazo de la vía. Un aspecto importante a observar es que para efectuar la etapa de exploración se deben tener concluido el diseño geométrico de la subrasante (planos de perfil de la vía), en base al que se estimará la ubicación y profundidad de las perforaciones y pozos, ver Imagen 2.10. Registros de excavación De los estratos encontrados en cada una de las calicatas se obtendrán muestras representativas, las que deben ser descritas e Identificadas mediante una tarjeta con la ubicación de la calicata (con coordenadas UTM - WGS84), número de muestra y profundidad y luego colocadas en bolsas de polietileno para su traslado al laboratorio. Así mismo, durante la ejecución de las investigaciones de campo se llevará un registro en el que se anotará el espesor de cada uno de los estratos del subsuelo, sus características de gradación y el estado de compacidad de cada uno de los materiales. Así mismo se extraerán muestras representativas de la sub rasante para realizar ensayos de Módulos de Resiliente Wilfredo Supo

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(MR) o ensayos de CBR para correlacionarlos con ecuaciones de MR, la cantidad de ensayos dependerá del tipo de carretera ver Tabla 26. El Manual de Carreteras del MTC (MTC-SP, 2014, p. 28) establece la profundidad y el número mínimo de pozos de exploración en un estudio geotécnico, considerando la importancia de la vía (tipo de carretera); Tabla 25. Asimismo, el número de muestras representativas de la subrasante para realizar ensayos de módulo resiliente (MR) o ensayos de CBR para correlacionarlos con ecuaciones de MR.

2.3.2. Valor de diseño de la subrasante En la sección suelos y pavimentos del Manual de Carreteras del MTC (MTC-SP, 2014, p. 37), se establece el procedimiento para determinar el valor de diseño de la subrasante en términos de CBR: a. En los sectores con 6 o más valores de CBR realizados por tipo de suelo representativo o por sección de características homogéneas de suelos, se determinará el valor de CBR de diseño de la subrasante considerando el promedio del total de los valores analizados por sector de características homogéneas. b. En los sectores con menos de 6 valores de CBR realizados por tipo de suelo representativo o por sección de características homogéneas de suelos, se determinará el valor de CBR de diseño de la subrasante en función a los siguientes criterios: • Si los valores son parecidos o similares, tomar el valor promedio. • Si los valores no son parecidos o no son similares, tomar el valor crítico (el más bajo) o en todo caso subdividir la sección a fin de agrupar subsectores con valores de CBR parecidos o similares y definir el valor promedio. La longitud de los subsectores no será menor a 100 m. Se considera valores parecidos o similares de CBR los que se encuentran dentro de un determinado rango de categoría de subrasante, según Cuadro 4.10. c. Una vez definido el valor del CBR de diseño, para cada sector de características homogéneas, se clasificará a que categoría de subrasante pertenece el sector o subtramo, según lo siguiente:

Tabla 4. Categorías de subrasante MTC, (MTC-SP, 2014, p. 37)

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Tabla 5. Número de calicatas para exploración de suelos, (MTC-SP, 2014, p. 28)

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Tabla 6. Número de Ensayos de MR y CBR, (MTC-SP, 2014, p. 30) Se considerarán como materiales aptos para las capas de la subrasante suelos con CBR ≥ 6%. En caso de ser menor (subrasante pobre o subrasante inadecuada), se analizarán alternativas de mejoramiento y/o estabilización de acuerdo a la naturaleza del suelo, como estabilización mecánica, reemplazo del suelo de cimentación, estabilización química, estabilización con geosintéticos, elevación de la rasante, cambio del trazo vial, eligiéndose la opción más conveniente desde los puntos de vista técnico y económico. La categoría de subrasante indicada en Tabla 24, los suelos de la explanación debajo del nivel superior de la subrasante, deberán tener un espesor mínimo de 0.60 m del material correspondiente a la categoría asignada, caso contrario se asignará a la categoría inmediata inferior.

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El nivel superior de la subrasante debe quedar encima del nivel freático mínimo a 0.60 m cuando se trate de una subrasante excelente - muy buena (CBR >= 20%); a 0.80 m cuando se trate de una subrasante buena - regular (6% ≤ CBR < 20%); a 1.00 m cuando se trate de una subrasante pobre (3% ≤ CBR < 6%); y, a 1.20 m cuando se trate de una subrasante inadecuada (CBR < 3%). En caso necesario, se colocarán subdrenes o capas anticontaminantes y/o drenantes o se elevará la rasante hasta el nivel necesario. Cuando la capa de subrasante sea arcillosa o limosa y, al humedecerse, partículas de estos materiales puedan penetrar en las capas granulares del pavimento contaminándolas, deberá proyectarse una capa de material separador de 10 cm. de espesor como mínimo o un geosintético. Se estabilizarán las zonas húmedas locales o áreas blandas o subrasantes inadecuadas, cuya estabilización o mejoramiento será materia de un estudio geotécnico de estabilidad y de asentamientos donde el Ingeniero Responsable analizará según la naturaleza del suelo diversas alternativas como estabilización con cal o cemento, estabilización química de suelos, geosintéticos, pedraplenes, enrocados, capas de arena, reemplazo, etc; definiendo y justificando en su Informe Técnico la solución adoptada, donde se indicará que con la solución adoptada el suelo alcanzará estabilidad volumétrica, adecuada resistencia, permeablidad, compresibilidad y durabilidad. En zonas sobre los 4,000 msnm, se evaluará la acción de los friajes o las heladas en los suelos. En general, la acción de congelamiento está asociada con la profundidad de la napa freática y la susceptibilidad del suelo al congelamiento. En el caso de presentarse en los últimos 0.60 m de la subrasante, suelos susceptibles al congelamiento por acción climática, se reemplazará este suelo en el espesor comprometido o se levantará la rasante con un relleno granular adecuado, hasta el nivel necesario. Son suelos susceptibles al congelamiento, por acción climática rigurosa, los suelos limosos, igualmente los suelos que contienen más del 3% de su peso de un material de tamaño inferior a 0.02 mm; con excepción de las arenas finas uniformes que aunque contienen hasta el 10% de materiales de tamaño inferior a los 0.02 mm, no son susceptibles al congelamiento. En general, son suelos no susceptibles los que contienen menos del 3% de su peso de un material de tamaño inferior a 0.02 mm. La curva granulométrica de la fracción de tamaño menor que el tamiz de 0.074 mm (N° 200) se determinará por sedimentación, utilizando el hidrómetro para obtener los datos necesarios (según Norma MTC E109).

2.3.3. Módulo resiliente de la subrasante (MR) Según la Guía de Diseño de Estructuras de Pavimentos (AASHTO, 1993), el módulo resiliente de la subrasante puede ser determinado por: 1.

Pruebas de laboratorio

2.

Retroanálisis (Backcalculate, Nondestructive Deflection Testing (NDT)

3.

Correlación del módulo resiliente con otras propiedades tales como CBR, Valor R, entre otros.

En nuestro país es muy frecuente utilizar el procedimiento de correlación MR-CBR, esto se demuestra observando los expedientes técnicos de las obras viales ejecutadas por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú. El módulo de resiliencia se define como la relación de esfuerzos cíclicos aplicados sobre la deformación recuperable de la muestra luego de muchos ciclos de cargas repetidas

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y por lo tanto es una medida directa de la rigidez de los materiales no consolidados en los sistemas de pavimento. (Menéndez, 2016, p. 94) El módulo resiliente es el módulo de elasticidad para ser utilizado con la teoría elástica. (Huang, 2004, p. 279) El Dr. Yang H. Huang también afirma que los materiales empleados en las estructuras de pavimento no son elásticos porque experimentan alguna deformación después de cada aplicación de carga, pero que pueden ser considerados elásticos debido a que después de las repeticiones iniciales (en la que se puede observar la acumulación de deformaciones no recuperables) el comportamiento de los materiales es prácticamente elástico. En el ensayo de módulo resiliente cada ciclo de carga produce en el suelo una componente de deformación plástica, no recuperable y una componente de deformación elástica, recuperable. Con los ciclos siguientes de cargas los incrementos de deformación plástica producidos tienden a desaparecer, en cambio las deformaciones elásticas tienden a ser constantes, relaciona las cargas móviles y las deformaciones instantáneas resultantes. El valor del Mr puede ser 10 veces el valor del Módulo Elástico. (Minaya & Ordóñez, 2006, p. 69) El mecanismo de acumulación de la deformación permanente se muestra en la Imagen 2.10, se debe notar que en los ciclos intermedios la deformación permanente disminuye para cada ciclo, hasta prácticamente desaparecer. (Moreno, 2005, p. 31)

𝑀𝑀𝑅𝑅 =

𝜎𝜎𝑑𝑑 𝜀𝜀𝑟𝑟

𝑀𝑀𝑅𝑅 : 𝑀𝑀ó𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟

𝜎𝜎𝑑𝑑 : 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑

𝜀𝜀𝑟𝑟 : 𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷ó𝑛𝑛 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟

Imagen 2.1. Carga repetitiva aplicada a material granular no ligado (o al suelo) en una máquina triaxial para estimar el valor de MR.(Das, 2014, p. 18)

2.3.4. Módulo de resiliencia compuesto Generalmente la subrasante de un pavimento está compuesta por más de una capa, por lo que es necesario establecer un procedimiento para determinar el valor de diseño de la subrasante considerando este aspecto. AASHTO 2002 emplea la ecuación (2.13) para caracterizar los tramos estratificados de subrasante (Menéndez, 2016, p. 121).

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M Rc =

M R1 D13 + M R 2 D23 + M R 3 Dn 3 D13 + D23 + D33

Donde :

(2.1)

M Rc : Módulo resiliente compuesto de una subrasante estratificada M Ri : Módulo resiliente del estrato o capa “i” Di : Espesor del estrato o capa “i”

2.3.4.1. Por correlación Mr (psi) = 1500 CBR

(Shell (Heukelomm y Foster 1960)

Mr (psi) = 5409 CBR0.711

(U.S. Cuerpos de Ingenieros - Green y Hall 1975)

Mr (psi) = 3000 CBR0.65

(Concilio Sur Africano Científicas e Industriales)

Mr (psi) = 2555 CBR0.64

(Laboratorio de Investigación de Transporte y Carreteras TRRL - Lister 1987)

Mr = 4326*LN(CBR) + 241

(FHWAPL-98-029)

de

Investigaciones

2.3.4.2. Desarrollo histórico “Desde 1944, cuando la Federal-Aid Highway Act (Ley Federal de Ayuda para las Autopistas) creó un anteproyecto para un "Sistema Nacional de Autopistas" de 40,000 millas, se han logrado avances significativos con respecto al diseño estructural de los pavimentos. La intención principal de este plan era y sigue siendo el concepto fundamental de proporcionar y promover un medio homogéneo para diseñar pavimentos. El primer logro significativo incluyó una metodología de diseño empírico derivada principalmente de los datos obtenidos en la prueba de carretera AASHO a fines de la década de 1950. A medida que nuestra industria ha evolucionado, el proceso de diseño del pavimento ha avanzado. La Guía de diseño de pavimento AASHTO de 1986 proporcionó una base empírica mecanicista para el diseño de estructuras de pavimento. Esta guía requirió el uso de módulo elástico en lugar del soporte del suelo como variable de entrada principal para la subrasante. Los avances en la tecnología y el conocimiento adquirido principalmente a través de la investigación permitieron que este parámetro se midiera directamente en el laboratorio; sin embargo, muy pocos laboratorios adquirieron la capacidad de realizar la prueba, basándose en correlaciones para derivar el módulo resiliente de otras propiedades más comunes del suelo. El primer método de prueba estandarizado para medir las propiedades del módulo resiliente del suelo fue el ensayo AASHTO T-274. Cuando SHRP comenzó el esfuerzo LTPP a 20 años en 1987, este método se utilizó como la base que creó el protocolo de prueba P46 de SHRP. El objetivo principal de este protocolo fue proporcionar un método estandarizado que se pudiera realizar fácilmente, con un alto grado de productividad y precisión. La decisión de medir la carga y la deflexión fuera de la cámara se hizo principalmente para promover el aspecto de productividad del objetivo.” (Durham et al., 2003, p. 177)

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2.3.5. Módulo de reacción de la subrasante (k) El módulo de la reacción de la subrasante k se determina a partir de la prueba de carga en una placa circular de 30 pulgadas (762 mm) de diámetro. Para minimizar la flexión, se debe usar una serie de placas apiladas. La carga se aplica a las placas mediante un gato hidráulico. Las deflexiones de la placa se miden mediante tres indicadores de cuadrante situados en el borde exterior con una separación de 120°. El soporte para los diales de deflexión debe ubicarse lo más lejos posible del área cargada, generalmente no menos de 15 pies (4,5 m).

Imagen 2.2.Elementos del equipo para el ensayo de carga en placa La carga se aplica a una velocidad predeterminada hasta que se alcanza una presión de 10 psi (69 kPa). La presión se mantiene constante hasta que la deflexión aumenta no más de 0.001 pulg. (0.025 mm) por minuto durante tres minutos consecutivos. El promedio de las tres lecturas de marcación se usa para determinar la deflexión. El módulo de reacción subrasante está dado por:

k=

p ∆

Donde : K : Módulo de reacción

(2.2)

P : Presión sobre la placa en psi D : Deflexión de la placa en pulgadas Como el valor de k se determina a partir de una prueba de campo, no se puede realizar con diversos contenidos de humedad y densidades para simular las diferentes condiciones de servicio o la peor condición posible durante la vida útil del diseño. Para modificar el valor de k para condiciones distintas a las de la prueba de campo, se pueden fabricar muestras de laboratorio, una con el mismo contenido de humedad y densidad que las del campo y la otra con un contenido de humedad y densidad diferentes para simular las condiciones del servicio. Las muestras se someten a una prueba de fluencia o consolidación a una presión de 10 psi (69 kPa), y las deformaciones d en varios momentos se miden hasta que el aumento en la deformación se vuelve insignificante. El valor k modificado se puede calcular como

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ks =

du ku ds (2.3)

Donde : K s : Módulo de reacción en condiciones de servicio ( saturado )

K u : Módulo de reacción en condiciones de campo ( no saturado ) La prueba de carga de la placa consume mucho tiempo y es costosa, por lo que en general el valor de k se calcula por correlación con pruebas más simples como las pruebas de valores CBR y R. (…) Hall et al. (1995) presentaron los resultados de una investigación llevada a cabo para desarrollar pautas mejoradas para seleccionar los valores de k, junto con una revisión de la evolución de los conceptos y métodos. Se propuso una variedad de métodos para seleccionar los valores de k, incluidas las correlaciones con tipos de suelo, propiedades y otros ensayos; pruebas de deflexión y métodos de retrocálculo (…). También se desarrollaron lineamientos para el ajuste estacional de k y ajustes para terraplenes de poca profundidad, así como para capas rígidas. (Huang, 2004, p. 327)

2.3.6. Valor relativo de soporte, California Bearing Ratio (CBR) El CBR es un indicador de la resistencia al corte por punzonamiento de un suelo materia del ensayo con respecto a otro denominado suelo patrón. Se utiliza principalmente en suelos de base granular, subbase granular, afirmado y componentes de subrasante de pavimentos de carreteras y aeropistas. El ensayo de laboratorio está normado por ASTM D 1883.

= CBR

esfuerzo unitario del ensayo × 100 esfuerzo unitario patrón

(2.4)

El suelo patrón está constituido por piedra triturada y presenta las siguientes características: PENETRACIÓN mm

pulg

ESFUERZO UNITARIO PATRÓN MPa

Kg/cm2

psi

2.54 0.10 6.9 70.3 5.08 0.20 10.3 105.5 7.62 0.30 13.1 133.6 10.16 0.40 15.9 161.7 12.70 0.50 17.9 182.8 Tabla 7. Esfuerzo unitario patrón CBR, (ASTM D 1883, 1999, p. 6)

1,000 1,500 1,900 2,300 2,600

Existen hasta 3 formas de realizar el ensayo: •

CBR de campo (in situ)

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• •

CBR de laboratorio con muestra compactada bajo condiciones de humedad y densidad controladas. CBR de laboratorio con muestra inalterada.

“El ensayo de relación de soporte de California se desarrolló por parte de la División de Carreteras de California en 1929 como una forma de clasificación de la capacidad de un suelo para ser utilizado como sub-rasante o material de base en construcción de carreteras. Durante la segunda guerra mundial, el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos adoptó este ensayo para utilizarlo en la construcción de aeropuertos.” (Bowles, 1990, p. 189) Los valores de la relación de soporte se obtienen a partir de especímenes de ensayo con el mismo peso unitario y contenido de agua que se espera encontrar en el terreno. Por lo general en la condición de humedad crítica (más desfavorable) que se tiene cuando el material está saturado. Por esta razón, el método original del Cuerpo de Ingenieros de E.U.A. establece el ensayo de los especímenes después de estar sumergidos en agua por un período de cuatro (4) días confinados en el molde con una sobrecarga igual al peso del pavimento que actuará sobre el material. El ensayo de penetración se lleva a cabo en una máquina de compresión utilizando una tasa de deformación unitaria de 1.27 mm/min. Se toman lecturas de carga contra penetración a cada 0.5 mm de penetración hasta llegar a un valor de 5.0 mm a partir del cual se toman lecturas con incrementos de 2.5 mm hasta obtener una penetración total de 12.7 mm.

2.3.6.1. CBR in situ Es un método adecuado para determinar la capacidad de soporte de un material en el lugar donde será sometido a las solicitaciones de la estructura que soportará. Primero se determina la densidad in situ del material en el lugar de ensayo, el cual puede ser usado bajo cualquiera de las siguientes condiciones: Se debe preparar el área de la superficie que va a ser ensayada, retirando el material suelto y superficial que no sea representativo del suelo que se va a ensayar. Asimismo, un área de ensayo tan uniforme y horizontal como sea posible. Cuando se trate de materiales de base no plásticos, se debe tener especial cuidado para no alterar la superficie de ensayo. El espaciamiento de los ensayos de penetración debe ser tal, que la operación en un punto no altere el suelo del siguiente punto que va a ser penetrado. Esta separación debe ser como mínimo de 175 mm (7") en suelos plásticos y de 380 mm (15") en suelos granulares gruesos. Por lo general se elige un lugar donde no haya piedras mayores a 3/4", se coloca un sistema de reacción montando un gato, con anillo dinamométrico y pistón, en forma vertical, aplicando la reacción con un vehículo cargado u otro sistema. Se colocan los anillos de sobrecarga directamente al suelo y se asienta el pistón en el suelo con una presión aproximada a 3 libras/pulg2. Se debe instalar un dial comparador para registrar las lecturas de deformaciones, en un punto que permanezca constante e inmóvil. La penetración se realiza en forma similar al ensayo tradicional y el ensayo se repite en otros dos puntos escogidos con anterioridad. La forma de expresar los resultados también es idéntica al método de laboratorio, es decir, trazando la curva esfuerzo contra penetración, corrigiendo la curva si fuese necesario y calculando el CBR in situ, usando los valores de penetración de 0,1” y 0,2”. Wilfredo Supo

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La relación de soporte reportada para el suelo es normalmente la de 2,54 mm (0,1") de penetración. Cuando la relación a 5,08 mm (0,2") de penetración resulta ser mayor, repítase el ensayo. Si el ensayo o probación da un resultado similar, úsese la relación de soporte para 5,08 mm (0,2") de penetración. Todo equipo de CBR de campo implementado con un anillo de carga, debe contar con la carta de calibración del anillo de donde se extrae la ecuación ara transformar la lectura en divisiones por carga en KN, Kg, o Lb. Por ejemplo, para un equipo en particular la ecuación (2.17) permite calcular la carga aplicada en Kg para lectura del dial de carga LD.

= Kg

2.038439 * LD + 5.798216

(2.5)

El esfuerzo se obtiene con la ecuación (2.18)

σ=

Carga aplicada

(2.6)

Area piston CBR

El área del pistón CBR 19.35cm2 o 3pulg2

2.3.6.2. CBR de laboratorio a humedad y densidad controladas El CBR usualmente se basa en la relación de carga para una penetración de 2.54 mm (0.1”). Sin embargo, si el valor de CBR a una penetración de 5.08 mm (0.2”) es mayor, el ensayo debería repetirse. Si un segundo ensayo produce nuevamente un valor de CBR mayor de 5.08 mm de penetración, dicho valor debe aceptarse como valor final del ensayo. Los ensayos de CBR se hacen usualmente sobre muestras compactadas al contenido de humedad óptimo para el suelo materia de ensayo, determinado mediante el ensayo de compactación Proctor estándar o modificando, se compactan tres o nueve moldes por cada muestra, según la clase de suelo granular o cohesivo, con grados diferentes de compactación. Para suelos granulares, la prueba se efectúa dando 55, 26 y 12 golpes por capa y con contenido de agua correspondiente a la óptima (MTC-EM, 2016, p. 251), según (ASTM D 1883, 1999, p. 4) el número de golpes por capa se variará según sea necesario para preparar muestras con pesos unitarios por encima y por debajo del valor deseado, por lo general, si se desea el CBR para el suelo al 95% de la densidad seca máxima, los especímenes compactados utilizando 56, 25 y 10 golpes por capa son satisfactorios. Para suelos cohesivos interesa mostrar su comportamiento sobre un intervalo amplio de humedades. Las curvas se desarrollan para 55, 26 y 12 golpes por capa, con diferentes humedades, con el fin de obtener una familia de curvas que muestran la relación entre el peso específico, humedad y relación de capacidad de soporte (MTC-EM, 2016, p. 251). Para determinar el contenido de humedad, si el espécimen se va a sumergir, se toma una porción de material, entre 100 y 500g (según sea fino o tenga grava) antes de la compactación y otra al final, se mezclan y se determina la humedad del Suelo de acuerdo con la Norma MTC E 108. Si la muestra no va a ser sumergida, la porción de material para determinar la humedad se toma del centro de la probeta resultante de compactar el suelo en el molde, después del ensayo de penetración. Para ello el espécimen se saca del molde y se rompe por la mitad (MTC-EM, 2016, p. 251). Wilfredo Supo

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Para medir la expansión del suelo en los moldes CBR se toma la primera lectura colocando el trípode de medida con sus patas sobre los bordes del molde, haciendo coincidir el vástago del dial con el de la placa perforada. Se anota su lectura, el día y la hora. A continuación, se sumerge el molde en el tanque con la sobrecarga colocada dejando libre acceso al agua por la parte inferior y superior de la muestra. Se mantiene la probeta en estas condiciones durante 96 horas (4 días) "con el nivel de agua aproximadamente constante. Es admisible también un período de inmersión más corto si se trata de suelos granulares que se saturen de agua rápidamente y si los ensayos muestran que esto no afecta los resultados. Al final del período de inmersión, se vuelve a leer el deformímetro para medir el hinchamiento. Si es posible, se deja el trípode en su posición, sin moverlo durante todo el período de inmersión; no obstante, si fuera preciso, después de la primera lectura puede retirarse, marcando la posición de las patas en el borde del molde para poderla repetir en lecturas sucesivas. La expansión se calcula como un porcentaje de la altura del espécimen. Después del periodo de inmersión se saca el molde del tanque y se vierte el agua retenida en la parte superior del mismo, sosteniendo firmemente la placa y sobrecarga en su posición. Se deja escurrir el molde durante 15 minutos en su posición normal y a continuación se retira la sobrecarga y la placa perforada. Inmediatamente se pesa y se procede al ensayo de penetración según el proceso del numeral siguiente.

2.3.7. Tramos de diseño por diferencias acumuladas El (MTC-SP, 2014) establece que para efectos del diseño de la estructura del pavimento se definirán sectores homogéneos donde, a lo largo de cada uno de ellos, las características del material del suelo de fundación o de la capa de sub rasante se identifican como uniforme, establecida en base a las características físico-mecánicas de los suelos.

2.3.7.1. Principios básicos En el “Apéndice J” de (AASHTO, 1993) se propone un método analítico relativamente directo y eficaz para delinear unidades estadísticamente homogéneas a partir de medidas de respuesta del pavimento de una vía, denominado “diferencias acumuladas”. La misma que sostiene que, aunque la metodología presentada es principalmente fácil de visualizar, la implementación manual para bases de datos grandes se vuelve muy lento y engorroso, pero fácilmente adaptable a una solución computarizada y análisis gráfico. Este enfoque se puede usar para una gran variedad de variables medidas de respuesta del pavimento, como: deflexión, serviciabilidad, resistencia al deslizamiento, valor de resistencia de la subrasante, etc. La Imagen 2.29 ilustra el concepto de aproximación global utilizando las suposiciones iniciales de un valor de respuesta continuo y constante (ri) en varios intervalos (0 a x1, x1 a x2, x2 a x3) a lo largo de una longitud de proyecto. A partir de esta imagen, es obvio que existen tres unidades únicas con diferentes magnitudes de respuesta (r1, r2 y r3) a lo largo del proyecto. La Imagen 2.29 (a) ilustra dicho resultado de distancia-respuesta. Si se determinara la tendencia del área acumulada bajo la distancia-respuesta graficada resulta lo que se muestra en la Imagen 2.29 (b). La línea continua indica los resultados de las curvas de respuesta reales. Debido a que las funciones son continuas y constantes dentro de una unidad, el área acumulada, en cualquier valor de x, es simplemente la integral o

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∫

= A

x1

0

x2

r1 dx + ∫ r2 dx

(2.7)

x1

con cada integral siendo continua dentro de los intervalos respectivos

( 0 ≤ x ≤ x1 ) y ( x1 ≤ x ≤ x2 )

(2.8)

En la Imagen 2.29 (b) la línea discontinua representa el área acumulada causada por la respuesta promedio general del proyecto. Se debe reconocer que las pendientes (derivadas) de las curvas de área acumulativa son simplemente el valor de respuesta para cada unidad (r1, r2 y r3) mientras que la pendiente de la línea discontinua es el valor de respuesta promedio general de toda la longitud del proyecto considerado. A la distancia, x, el área acumulada de la respuesta promedio del proyecto es x

Ax = ∫ r dx

(2.9)

0

con x1

= r

x2

x3

r dx + ∫ r dx + ∫ r dx ∫= 0

1

x1

2

3

x2

LP

AT LP

(2.10)

y por lo tanto

A= LP × AT x

(2.11)

Conocer 𝐴𝐴𝑥𝑥 y �𝐴𝐴��𝑥𝑥� permite la determinación de la variable de diferencia acumulada Zx a partir de:

Z= Ax − Ax x

(2.12)

Como se observa en la Imagen 2.29 (b), Zx es simplemente la diferencia en los valores de área acumulada, para un valor de x dado, entre las medias reales y las medias del proyecto. Si el valor Zx está, a su vez, trazado contra la distancia, x, resulta la Imagen 2.29 (c). Un examen de esta imagen muestra que la ubicación de los límites de la unidad siempre coincide con la ubicación (a lo largo de x) donde la pendiente de la función Zx cambia los signos algebraicos (es decir, de negativo a positivo o viceversa) Este concepto fundamental es la última base utilizada para determinar analíticamente la ubicación del límite para las unidades de análisis.

2.3.7.2. Aplicación a variables discontinuas Las figuras esquemáticas mostradas en la Imagen 2.29 son obviamente altamente idealizadas. En la práctica, las mediciones son normalmente discontinuas (mediciones puntuales), frecuentemente obtenidas a intervalos desiguales y nunca constantes, incluso dentro de una unidad. Para aplicar los principios anteriores en una metodología de solución. capaz de manejar estas condiciones, se debe usar un enfoque de diferencia numérica. La forma de la función Zx es: nt

= Zx

nt

∑ ai −

=i

∑a i =1

i

n

∑x

LP i 1=

1

i

(2.13)

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con

ai=

( ri −1 + ri ) × xi = 2

ri × xi

(2.14)

(Nota: dejar 𝑟𝑟0 = 𝑟𝑟1 para el primer intervalo)

Donde :

n : Enésima respuesta medida del pavimento nt : Número total de medidas de respuesta del pavimento tomadas del proyecto ri : Valor de la respuesta del pavimento de la medida "i" ri : Promedio de los valores de respuesta del pavimento entre las pruebas (i - 1) e "i" L p : Longitud total del proyecto Si se utilizan intervalos de pavimento iguales:

Zx =

n nt ∑ ai nt i 1 1=

n

∑ ai −

=i

(2.15)

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2.3.8. Referencias bibliográficas AASHTO. (1993). AASHTO Guide for Design of Pavement Structures [Guía para Diseño de Estructuras de Pavimento de AASHTO]. American Association of State Highway and Transportation Officials. ASTM D 1883. (1999). Standard Test Method for CBR (California Bearing Ratio) of LaboratoryCompacted Soils. ASTM International. Bowles, J. E. (1990). Manual de laboratorio de suelos en ingeniería civil. McGraw-Hill. Das, A. (2014). Analysis of Pavement Structures. CRC Press. https://www.crcpress.com/Analysis-of-PavementStructures/Das/p/book/9781466558557 Durham, G. N., Marr, W. A., DeGroff, W. L., ASTM International Committee D18 on Soil and Rock, & ASTM International Committee D18 on Soil and Rock (Eds.). (2003). Resilient modulus testing for pavement components. ASTM International. Huang, Y. (2004). Pavement Analysis and Design [Análisis y Diseño de Pavimentos] (2nd ed). Pearson/Prentice Hall. Menéndez, J. R. (2016). Ingeniería de Pavimentos—Materiales (5ta. edición, Vol. 1). ICG. Minaya, S., & Ordóñez, A. (2006). Diseño moderno de pavimentos asfálticos (2da.). Instituto de la Construcción y Gerencia - ICG. Moreno, J. (2005). Efecto de equipo y procedimiento de medida en la determinación del módulo resiliente y resistencia a tracción indirecta de las mezclas bituminosas [Tesina, Universidad Politécnica de Cataluña]. http://hdl.handle.net/2099.1/3252 MTC-EM. (2016). Manual de ensayo de materiales. MTC-SP. (2014, abril). Manual de carreteras, suelos geología, geotecnia y pavimentos: Sección Suelos y Pavimentos. http://portal.mtc.gob.pe/transportes/caminos/normas_carreteras/MTC%20NORMAS/AR CH_PDF/MAN_7%20SGGP-2014.pdf MVCS. (2010). Norma Técnica CE.010 Pavimentos Urbanos (Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento). NHI. (1994). Pavement deflection analysis, participant workbook [Análisis de deflexiones en pavimentos]. National Highway Institute - NHI. Wilfredo Supo