• Author / Uploaded
• Elmer Ramirez Flores

Citation preview

FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA ACADEMICO DE INGENIERIA CIVIL PROGRAMA DE TITULACION PROFESIONAL DISEÑO DE PAVIMENTOS CARACTERIZACION DE LA SUBRASANTE 27 / 04 / 2019

CONCEPTOS GENERALES

PAVIMENTO Desde el punto de vista de la Ingeniería Civil, el pavimento es una estructura vial multicapa conformada por una composición de capas superpuestas de más un material seleccionado, que se colocan sobre el terreno natural o nivelado, para aumentar su resistencia y servir para la circulación de los vehículos. Entre los materiales utilizados en la pavimentación urbana, industrial o vial están los suelos con mayor capacidad de soporte, los materiales rocosos, el concreto y las mezclas asfálticas. Estas estructuras son diseñadas para soportar las cargas impuestas por el tránsito y por las condiciones ambientales (función estructural).

CONCEPTOS GENERALES

DISEÑO DE PAVIMENTO Es el proceso por el cual se determinan y dimensionan los componentes estructurales de un segmento de carretera o vía para darle un comportamiento adecuado frente a las solicitaciones de carga, del ambiente y de los usuarios. Para llevar a cabo este proceso, se toman en consideración la naturaleza del suelo de fundación, las consideraciones ambientales, densidad y composición del tráfico y las condiciones de mantenimiento y construcción. En forma resumida el diseño de la estructura del pavimento consiste en establecer espesores y rigideces de los materiales de las diferentes capas para mantener la vía bajo un cierto nivel de deterioro, confort, transitabilidad y seguridad.

CONCEPTOS GENERALES ETAPAS DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS Las etapas del diseño del pavimento dependen en gran medida si se trata de una estructura nueva o si es más bien un mejoramiento o rehabilitación de una vía ya existente. A continuación se presenta la secuencia de diseño de pavimento de una vía nueva: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Estudio de Subrasante Estudio de Trafico Definición del tipo de superficie de rodadura y los componentes estructurales Selección de los materiales Estudio de las condiciones ambientales y de drenaje para determinar obras de arte Sectorización de tramos homogéneos Análisis del ciclo de vida incluido mantenimiento y construcción Determinación del tipo de pavimento y de los espesores finales

CONCEPTOS GENERALES

CONCEPTOS GENERALES COMPONENTES DE LA ESTRUCTURA DE UN PAVIMENTO La estructura de un pavimento por lo general está conformada por las siguientes capas: Capa de Rodadura, base y subbase. Capa de Rodadura: Es la parte superior de un pavimento, que puede ser de tipo bituminoso (flexible) o de concreto de cemento Portland (rígido) o de bloques intertrabados, cuya función es sostener directamente el tránsito. Base: Es la capa inferior a la capa de rodadura, que tiene como principal función de sostener, distribuir y transmitir las cargas ocasionadas por el tránsito. Esta capa será de material granular (CBR≥80%) o tratada con asfalto, cal o cemento. Subbase: Es una capa de material especificado y con un espesor de diseño, el cual soporta a la base y a la carpeta. Además se utiliza como capa de drenaje y controlador de la capilaridad del agua. Dependiendo del tipo, diseño y dimensionamiento del pavimento, esta capa puede obviarse. Esta capa puede ser de material granular (CBR≥40%) o tratada con asfalto, cal o cemento.

CONCEPTOS GENERALES FUNCIONES DE LA ESTRUCTURA DE UN PAVIMENTO Las principales funciones que cumple una estructura de un pavimento son las siguientes: Proporcionar a los usuarios circulación segura, cómoda y confortable, con adecuada rugosidad y suficiente resistencia a la fricción Proporcionar a los vehículos acceso bajo cualquier condición de clima Capacidad de carga suficiente de los materiales que componen la estructura

CONCEPTOS GENERALES FUNCIONES DE LA ESTRUCTURA DE UN PAVIMENTO Reducir y distribuir la carga de tráfico para que esta no dañe la subrasante y/o el suelo de fundación. Proteger la subrasante y el suelo de fundación del clima (agua, congelamiento) Cumplir requerimientos medioambientales y estéticos Limitar el ruido y la contaminación del aire Reducir los costos de operación vehicular, reducir el tiempo de viaje y reducir los accidentes Tener suficiente durabilidad para no deteriorarse antes de tiempo debido a las variables ambientales (agua, oxidación, efectos de la temperatura)

1/4

CONCEPTOS GENERALES

TIPOS DE PAVIMENTOS Afirmados Pavimentos Flexibles Pavimentos Rígidos Pavimentos Semi Rígidos

CONCEPTOS GENERALES TIPOS DE PAVIMENTOS AFIRMADOS: son estructuras compuestas por capas compactadas del material granular natural o procesadas con gradación especifica que soporta directamente las cargas y esfuerzos del tránsito

CONCEPTOS GENERALES TIPOS DE PAVIMENTOS PAVIMENTOS FLEXIBLES: son estructuras compuestas por capas granulares denominadas base y subbase y como capa de rodadura una carpeta constituida con materiales bituminosos como aglomerantes, agregados y de ser el caso aditivos. Principalmente se considera como capa de rodadura asfáltica sobre capas granulares: slurry seal (lechada asfáltica), tratamientos superficiales (Monocapas, Bicapas, Tricapas), micropavimentos, mezclas asfálticas en frio, mezclas asfálticas en caliente, cape seals.

CONCEPTOS GENERALES TIPOS DE PAVIMENTOS PAVIMENTOS SEMI RÍGIDOS: Es una estructura de pavimento compuesta básicamente por capas asfálticas con un espesor total bituminoso (carpeta asfáltica en caliente sobre base tratada con asfalto); también se considera en este grupo la estructura compuesta por carpeta asfáltica sobre base tratada con cemento o base tratada con cal. Dentro del tipo de pavimento semirrígido, se ha incluido a los pavimentos adoquinados.

CONCEPTOS GENERALES TIPOS DE PAVIMENTOS PAVIMENTOS RÍGIDOS: Es una estructura de pavimento compuesta específicamente por una capa de subbase granular, no obstante esta capa puede ser de base granular, o puede ser estabilizada con cal o cemento, y una capa de rodadura de losa de concreto de cemento Portland como aglomerante, agregados y de ser el caso aditivos, cuya resistencia a la compresión debe ser mayor o igual a 280 kg/cm2. Dentro de los pavimentos rígidos existen tres categorías: 





Pavimento de concreto simple con juntas (JPCP) Pavimento de concreto reforzado con juntas y barras transversales (JRCP) Pavimento de Concreto con Refuerzo Continuo (CRCP)

EL SUELO DE FUNDACION Es necesario conocer las pautas para identificar las características y la clasificación de los suelos de fundación y de los que se utilizarán en la construcción de los pavimentos. La exploración e investigación del suelo es tan importante para la determinación de las características del suelo, como para el correcto diseño de la estructura del pavimento. Si la información registrada y las muestras enviadas al laboratorio no son representativas, los resultados de las pruebas aún con exigencias de precisión, no tendrán mayor sentido para los fines propuestos.

EL SUELO DE FUNDACION EXPLORACIÓN DE SUELOS Y ROCAS Para la investigación y muestreo de suelos y rocas, se aplicará para todos los efectos el procedimiento establecido en la norma MTC E101, que recoge los alcances de AASHTO y ASTM, esta norma presenta una guía para llevar a cabo el muestreo e investigación de suelos y rocas. La caracterización de los suelos comprenderá básicamente una 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. Asimismo deberán obtenerse muestras representativas en número y cantidades suficientes.

EL SUELO DE FUNDACION

CARACTERIZACIÓN SUBRASANTE

DE

LA

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 ó calicatas de 1.5 m de profundidad mínima; el número mínimo de calicatas por kilómetro, estará de acuerdo al cuadro 2.2-1. Las calicatas se ubicarán longitudinalmente y en forma alternada

EL SUELO DE FUNDACION

Cuadro 2.2-1: Número de Calicatas para Exploración de Suelos

EL SUELO DE FUNDACION EXPLORACIÓN DE SUELOS Y ROCAS Con las muestras de suelo obtenidas en la forma aleatoria, se efectuarán ensayos en laboratorio y finalmente con los datos obtenidos en ambas fases se pasará a la fase de gabinete, para consignar en forma gráfica y escrita los resultados obtenidos, asimismo se determinará un perfil estratigráfico de los suelos (eje y bordes), debidamente acotado en un espesor no menor a 1.50m, 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.

EL SUELO DE FUNDACION Sí a lo largo del avance del estacado las condiciones topográficas o de trazo, muestran por ejemplo cambios en el perfil de corte a terraplén; o la naturaleza de los suelos del terreno evidencia un cambio significativo de sus características o se presentan suelos erráticos, se deben ejecutar más calicatas por kilómetro en puntos singulares, que verifiquen el cambio. También se determinará la presencia o no de suelos orgánicos, suelos expansivos, napa freática, rellenos sanitarios, de basura, etc., en cuyo caso las calicatas deben ser más profundas, delimitando los sectores con subrasante pobre o inadecuada que requerirá Estudio Especial para determinar el tipo de estabilización o mejoramiento de suelos de la subrasante, a fin de homogenizar su calidad a lo largo del alineamiento de la carretera. En este caso, los valores representativos resultado de los ensayos será sólo válida para el respectivo sector.

EL SUELO DE FUNDACION 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, 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 una de las capas del sub-suelo, sus características de gradación y el estado de compacidad de cada uno de los materiales. Así mismo se extraerán muestras representativas de la subrasante para realizar ensayos de CBR para correlacionarlos con ecuaciones de Mr, la cantidad de ensayos dependerá del tipo de carretera (ver cuadro 2.22).

EL SUELO DE FUNDACION Cuadro 2.2-2. Número de CBR o Mr según tipo vía

EL SUELO DE FUNDACION DESCRIPCIÓN DE LOS SUELOS Los suelos encontrados serán descritos y clasificados de acuerdo a metodología para construcción de vías, procediéndose a determinarles: a. b. c. d. e. f. g. h.

Granulometría Humedad natural Plasticidad Equivalente de Arena Clasificación AASHTO Índice de Grupo CBR Proctor

EL SUELO DE FUNDACION b. Humedad Natural: Otra característica importante de los suelos es su humedad natural; puesto que la resistencia de los suelos de subrasante, en especial de los finos, se encuentra directamente asociada con las condiciones de humedad y densidad que estos suelos presenten. La determinación de la humedad natural (ensayo MTC EM 108) permitirá comparar con la humedad óptima que se obtendrá en los ensayos Proctor para obtener el CBR del suelo (ensayo MTC EM 132). Sí la humedad natural resulta igual o inferior a la humedad óptima, el Proyectista propondrá la compactación normal del suelo y el aporte de la cantidad conveniente de agua. Sí la humedad natural es superior a la humedad óptima y según la saturación del suelo, se propondrá, aumentar la energía de compactación, airear el suelo, o reemplazar el material saturado.

EL SUELO DE FUNDACION ENSAYOS DE LABORATORIO Con las muestras extraídas de las calicatas efectuadas, se realizarán los siguientes ensayos de laboratorio: • Análisis Granulométrico por Tamizado ASTM D-422, MTC E107 • Límite Líquido ASTM D-4318, MTC E110 • Límite Plástico ASTM D-4318, MTC E111 • Contenido de humedad ASTM D-2216, MTC E108 • Clasificación SUCS ASTM D-2487 • Contenido Sulfatos ASTM D-516 • Contenido Cloruros ASTM D-512 • Contenido Sales Solubles Totales ASTM D-1888, MTC - E219 • Clasificación AASHTO M-145 Ensayos Especiales • California Bearing Ratio ASTM D-1883, MTC – E132, ó Módulo resiliente de suelos de subrasante AASHTO T 274, MTC – E128 • Proctor Modificado ASTM D-1557, MTC – E115 • Equivalente de Arena ASTM D-2419, MTC-E114 • Ensayo de Expansión Libre ASTM D-4546 • Colapsabilidad Potencial ASTM D-5333 • Consolidación Uniaxial ASTM D-2435 Los ensayos deben ser ejecutados en laboratorios de prestigio, cuyos procedimientos administrativos y técnicos, cumplan con la Norma Técnica Peruana NTP - ISO/IEC 17025.

SUBRASANTE

EL SUELO DE FUNDACION

Se considerarán como materiales aptos para las capas de la subrasante suelos con CBR igual o mayor de 6%. En caso de ser menor (subrasante pobre o subrasante inadecuada), se procederá a la estabilización de los suelos, para lo cual se analizarán alternativas de solución, como la estabilización mecánica, el reemplazo del suelo de cimentación, estabilización química de suelos, estabilización con geosintéticos, elevación de la rasante, cambiar el trazo vial, eligiéndose la más conveniente técnica y económica. Para poder asignar la categoría de la subrasante indicada en el cuadro mostrado, los suelos de la explanación debajo del nivel superior de la subrasante, deberán tener un espesor mínimo de 60 centímetros (0.60m) del material correspondiente a la categoría asignada, caso contrario se signará a la categoría inmediata de calidad inferior.

SUBRASANTE

EL SUELO DE FUNDACION

El nivel superior de la subrasante debe quedar encima del nivel de la napa freática como 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 25 deben ser obligatoriamente estabilizados. • Retirar material blando e inestable que no se pueda compactar y resulte muy costoso estabilizar.

California Bearing Ratio (CBR) Test

INTRODUCCIÓN AL ENSAYO CBR • El California Bearing Ratio (CBR) fue un ensayo concebido para diseñar pavimentos flexibles basado en la resistencia al corte (1933). • Cuando se aplica una carga a través de una superficie de contacto al pavimento de asfalto, se desarrollan dos resistencias: • Resistencia al corte perimetral. • Resistencia a compresión. • La capacidad de un pavimento flexible para transmitir cargas en forma eficiente dependerá de la densidad del suelo de subrasante y de la fricción interna entre partículas.

INTRODUCCIÓN AL ENSAYO CBR • Factores que garantizan un buen comportamiento del suelo: • Compactación adecuada de la estructura. • Granulometría apropiada. • Buen drenaje.

• El ensayo CBR mide la resistencia al corte del suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas permitiendo obtener un porcentaje de relación de soporte: % CBR = (carga unitaria del ensayo / carga unitaria patrón) * 100 % • Suelo patrón: material tipo piedra chancada

California Bearing Ratio (CBR) Test El objetivo de la prueba es determinar la fuerza relativa de un suelo de sub rasante, comparándolo con respecto a la fuerza que soporta la roca triturada, que se considera un excelente material de base gruesa. Esto es obtenido mediante la realización de una prueba de penetración en las muestras que todavía llevan la sobrecarga simulada, usando un equipo estándar de CBR. El CBR se define como

La unidad de carga para una penetración de 0.1” del pistón en roca triturada estándar generalmente se toma como 1000 lb / in2, lo cual da como CBR lo siguiente:

INTRODUCCIÓN AL ENSAYO CBR • En la práctica: Número CBR. • La fuerza se aplica con un pistón normalizado a una determinada velocidad hasta penetrar una profundidad establecida. • Normalmente el número CBR se basa en la relación de carga para una penetración de 2.5 mm (0.1”). • Según la Norma MTC E 132: Si el valor de CBR a una penetración de 5 mm (0.2”) es ligeramente mayor, éste último valor se registra como valor del ensayo.

INTRODUCCIÓN AL ENSAYO CBR

• Características para el suelo patrón:

INTRODUCCIÓN AL ENSAYO CBR • Los ensayos se realizan sobre muestras compactadas a la humedad óptima del Próctor • Datos necesarios para ensayo: • Granulometría. • Límites de consistencia. • Ensayo Próctor.

• El CBR obtenido no es una constante del suelo. • Aplica sólo al estado en el cual se encuentra el suelo durante el ensayo.

ENSAYO CBR EN LABORATORIO

• El ensayo CBR comprende en realidad 3 ensayos: • Determinación de la relación humedad – densidad. • Determinación de las propiedades expansivas del material. • Determinación de la resistencia a la penetración.

RESISTENCIA DEL TERRENO DE FUNDACION: CBR Los suelos que serán sometidos a solicitaciones con fines de pavimentación, pueden estar ubicados en los siguientes niveles de la estructura de un pavimento: Capa de Base, Capa de Subbase o Subrasante, esta ultima puede ser natural o mejorada. Surge pues la necesidad de conocer la resistencia de un suelo ante las futuras cargas a las que va a ser sometido El CBR es un ensayo para evaluar la calidad de un suelo con base en su resistencia, medida a través de un ensayo de placa a escala.

Según la norma ASTM D 1883-07, el CBR es un ensayo de carga que usa un pistón metálico, cuadradas de área, (19.32 cm2) para penetrar desde la superficie de un suelo compactado en un molde metálico a una velocidad constante de penetración. Se define CBR, el parámetro del ensayo, como la relación entre la carga en el pistón requerida para penetrar 0.1” (0.25 cm) y 0.2” (0.5 cm) en el suelo ensayado, y la carga requerida para penetrar la misma cantidad en una piedra picada bien gradada estándar; esta relación se expresa en porcentaje.

Por cada espécimen de suelo se calculan dos valores de CBR, uno a 0.1” de penetración, y el otro a 0.2” de penetración. Según la norma ASTM, el valor que se reporta como CBR es el de 0.1” mientras este sea menor que el de 0.2”. En el caso en el que el valor de CBR para 0.1” fuera mayor que el de 0.2” habría que repetir el ensayo para ese espécimen (La norma en inglés dice «rerun», que traducimos como volver a hacer el ensayo, con un nuevo espécimen).

Los valores de CBR cercanos a 0% representan a suelos de pobre calidad, mientras que los más cercanos a 100% son indicativos de la mejor calidad. Sí es posible obtener registros de CBR mayores que 100%, típicamente en suelos ensayados en condición «en seco» o «tal como se compactó». Se efectúa bajo condiciones controladas de humedad y densidad. Norma peruana: CBR de Laboratorio MTC E 132 – 2000 Norma peruana: CBR de Campo MTC E 133 – 2000 Norma peruana: Modulo Resiliente de suelos de Subrasantes MTC E 128 – 2000

DETERMINACION DE LA EXPANSIÓN DEL MATERIAL • Determinada la densidad y humedad se coloca el papel filtro sobre la superficie enrasada, un plato metálico perforado y se voltea el molde. • Sobre la superficie libre de la muestra se coloca papel filtro y se monta el plato con el vástago graduable. • Sobre el plato se colocan varias pesas de plomo. La sobrecarga mínima será de 10 lbs.

DETERMINACION DE LA EXPANSIÓN DEL MATERIAL • Colocado el vástago y las pesas, se colocará el molde dentro de un depósito lleno de agua. • Se monta el trípode con un extensómetro y se toma una lectura inicial. La lectura se tomará cada 24 horas. • Al cabo de 96 horas se anota la lectura final con la cual se calcula en hinchamiento. Expansión: (Lectura final – lectura inicial). %hinchamiento = (Expansión /altura de muestra) * 100.

DETERMINACION DE LA EXPANSIÓN DEL MATERIAL • Recomendaciones especificación):

sobre

hinchamiento

(exigencia

final

• Base, expansiones menores a 1 % • Sub base, expansiones menores a 2 % • Como dato referencial (suelos finos, con presencia de arcilla): • CBR > 30 %, hinchamiento < 1 % • CBR ≥ 15 %, hinchamiento máximo 2 % • CBR < 9 %, hinchamientos de 3 % o más

depende

la

RESISTENCIA A LA PENETRACIÓN • Después de tomadas las lecturas del extensómetro, se retira la muestra del depósito de agua. • Se deja drenar cuidadosamente durante 15 minutos , volteando el cilindro. • Se coloca el molde en la prensa y se asienta el pistón sobre la muestra. • Se colocan en cero los extensómetros para la medición de carga y penetración.

RESISTENCIA A LA PENETRACIÓN • El pistón se hinca en incrementos de 0.025” a la velocidad de 0.05” por minuto y se leen las cargas hasta hincar el pistón 0.50 pulgada. • Una vez hincado 0.50 pulgada, se suelta la carga lentamente, se retira el molde de la prensa. • Finalmente se determina el contenido de humedad de la muestra.

CALCULO DEL CBR

• Si los CBR para 0.1” y 0.2” son similares, se recomienda usar en los cálculos el CBR correspondiente a 0.2”. • Si el CBR correspondiente a 0.2” es muy superior al CBR correspondiente al 0.1”, deberá repetirse el ensayo (Norma E 132). • EG 2013: para bases y subbases referido a una penetración de 0.1 ”