• Author / Uploaded
• Adrian JBrg

Citation preview

SEGUNDA UNIDAD: DISEÑO DE PAVIMENTOS. 1.- GENERALIDADES La creciente necesidad de comunicación con mayor rapidez y comodidad, en condiciones de seguridad y economía han ido obligando a las dependencias estatales encargadas de la vialidad, a proponer mejoras en las rutas de la red vial, lo que significa plantear modificaciones en la estructura de los pavimentos existentes, para dotarlos de mayor capacidad para soportar las condiciones del tránsito vehicular y las mas diversas condiciones topográficas y meteorológicas que presenta el territorio nacional. El desarrollo del presente curso de PAVIMENTOS se orienta a cubrir la necesidad de formación de técnicos capacitados para el estudio, evaluación, diseño y construcción de pavimentos nuevos o en obras de mejoramiento y rehabilitación vial. El desarrollo del curso está dirigido en síntesis, a cubrir los aspectos siguientes: 1.-

Estudio de las características de un pavimento y elección del pavimento más adecuado para una carretera de determinadas características.

2.-

Diseño de pavimentos flexibles y rígidos, mediante la utilización de varios métodos, lo que implica determinar el espesor de cada una de las capas conformantes y, la calidad de los materiales a utilizar.

3.-

Criterios para la construcción, mantenimiento, rehabilitación y mejoramiento de pavimentos.

2.- DEFINICIONES: PAVIMENTO.- Se llama pavimento a toda estructura de determinado espesor, que puede estar conformada por una o varias capas y, que se coloca sobre un terreno que se denomina terreno de fundación, para soportar las cargas del tránsito y distribuirlas en el terreno. TERRENO DE FUNDACIÓN.- Es aquel que sirve de fundación al pavimento después de haberse terminado el movimiento de tierras y que, después de compactado tiene las secciones transversales y pendientes especificadas en los planos del diseño. SUPERFICIE SUBRASANTE.- Viene a ser la parte superior del terreno de fundación, que puede ser una capa de material colocado sobre el terreno natural, cuando esta no tiene la resistencia necesaria. El material por debajo del nivel de la subrasante no forma parte del pavimento SUBBASE.- Es la parte de la estructura del pavimento construida entre la subrasante y la capa de base. Comúnmente consta de una capa compactada de material granular ya sea tratada o no, o una capa de suelo convenientemente tratada. Se distingue del material de la base por requerimientos menos estrictos de la especificación para resistencia, gradación, etc. Esta capa puede omitirse si la estructura del pavimento requerido es relativamente delgada, o si los suelos de la subrasante son de alta calidad y sin problemas de humedad. BASE.- Capa o capas de agregados tratadas o no con aglomerantes, destinadas a distribuir las cargas originadas por el peso de los vehículos sobre la subbase y si esta no se usa, directamente sobre la subrasante. Se construye directamente debajo de la capa superficial y comúnmente la forman: piedra triturada, escoria triturada o grava triturada o sin triturar y arena, o la combinación de estos materiales, debiendo cumplir ciertos requerimientos de resistencia, estabilidad, dureza, forma y gradación.

CAPA DE RODADURA.- Es la capa superficial del pavimento y, además de tener función estructural debe diseñarse para soportar los requisitos de: - Resistir los esfuerzos abrasivos del tránsito. - Limitar la cantidad de agua superficial que penetra en el pavimento ( impermeabilizante) - Proveer una superficie resistente a los deslizamientos. - Proporcionar una superficie lisa y uniforme que le de comodidad al transporte. Además, la capa superficial debe ser durable, capaz de resistir fracturas desmoronamientos sin llegar a ser inestable en las condiciones del tráfico y del clima.

y

PAVIMENTO FLEXIBLE.- Es aquel construido utilizando ligantes asfálticos dentro de la estructura de capas que forman un pavimento. En lo que a estabilidad se refiere depende de la trabazón o entrelazamiento de los áridos, rozamiento y cohesión de las partículas. PAVIMENTO RÍGIDO.- Estructura de pavimento que distribuye las cargas al terreno de fundación y que tiene como revestimiento una losa de concreto de cemento Portland de resistencia a la flexión relativamente elevada. PAVIMENTO COMPUESTO.- Pavimento que consta de capas flexibles y capas rígidas, con o sin capas granulares de separación.

3.- FINALIDAD DE LOS PAVIMENTOS. Las estructuras de los pavimentos se diseñan con la finalidad de atender los siguientes requerimientos: -

Soportar las más elevadas frecuencias de tráfico y cargas por eje transmitidas por los vehículos durante el período de diseño (vida útil) Para el efecto se deben determinar el volumen y el tipo del tráfico y su estratigrafía.

-

Soportar los esfuerzos abrasivos producidos por las llantas, lo que será contrarrestado por la cohesión del material.

-

Soportar las condiciones climáticas más adversas, controlar la cantidad de agua mediante sistemas de drenaje; controlar las heladas.

-

Brindar al tránsito una superficie uniforme proporcionando comodidad al usuario, velocidades uniformes de circulación y seguridad, lo que incidirá en los costos del transporte en la vía.

4.- TIPOLOGIA DE LOS PAVIMENTOS, SEGÚN MANUAL DE CARRETERAS. El manual de carreteras, sección suelos y pavimentos del MTC, considera que los pavimentos se pueden agrupar de acuerdo al a siguiente tipología: Los caminos con superficie de rodadura No Pavimentada son identificados como sigue: 1) Caminos de tierra, constituido por suelo natural y mejorado con grava seleccionada por zarandeo. 2) Caminos de grava (lastrados), constituidos por una capa de revestimiento con material natural pétreo, seleccionado manualmente o por zarandeo, de tamaño máximo de 75mm.

3) Caminos afirmados, constituidos por una capa de revestimiento con materiales de cantera, dosificados naturalmente o por medios mecánicos (zarandeo), con una dosificación especificada, compuesta por una combinación apropiada de tres tipos de material: piedra, arena y finos o arcilla, siendo el tamaño máximo deseable del material 25 mm. Los caminos afirmados comprenden los siguientes tipos: c.1) Afirmados con gravas naturales o zarandeadas c.2) Afirmados con gravas homogenizadas mediante chancado 4) Caminos afirmados con superficie de rodadura estabilizada con materiales industriales: d.1 Afirmados con grava tratada con materiales como: asfalto, cemento, cal, aditivos químicos y otros d.2 Suelos naturales estabilizados con: material granular y finos ligantes, asfalto, cemento, cal, aditivos químicos y otros. Los caminos con superficie de rodadura Pavimentada son identificados como sigue: a) Pavimentos flexibles: a.1) Compuestos por capas granulares (sub base y base drenantes) y una superficie de rodadura bituminosa en frío como: tratamiento superficial bicapa, lechada asfáltica o mortero asfáltico, micropavimento en frío, macadam asfáltico, carpetas de mezclas asfálticas en frío, etc. a.2) Compuestos por con capas granulares (sub base y base drenantes) y una capa de rodadura bituminosa de mezcla asfáltica en caliente de espesor variable según sea necesario. b) Pavimentos semirrígidos: conformados con capas asfálticas (base asfáltica y carpeta asfáltica en caliente); también se considera como pavimento semirrígido, la estructura compuesta por carpeta asfáltica en caliente sobre base tratada con cemento o base tratada con cal. Dentro del tipo de pavimento semirrígido, se ha incluido también los pavimentos adoquinados. c) Pavimentos rígidos: conformado por losa de concreto de cemento hidráulico y una subbase granular para uniformizar las características de cimentación de la losa. 5.- CLASIFICACIÓN DE LOS PAVIMENTOS Los pavimentos pueden consideraciones siguientes: A.B.C.D.-

clasificarse

de

diferentes

maneras,

atendiendo

a

las

Por el lugar en que prestan servicio. Por la forma en que transmiten la carga a la subrasante. Por los materiales con los que están hechos. Por su calidad. A su vez cada clase se subdivide de la siguiente manera:

A.- POR EL LUGAR EN QUE PRESTAN SERVICIO. A.1.

Pavimentos para viviendas.- Son aquellos que se construyen en las viviendas y zonas aledañas. Debido a reducidas cargas que soportan su función principal es ornamental. En este tipo de pavimentos se debe prestar atención a la textura, suavidad, color, condiciones acústicas y térmicas. Podemos citar como ejemplo los pisos de granito, parquet, cerámico, losetas, etc.

A.2.

Pavimentos para zonas urbanas.- Los que se construyen en calles, avenidas, paseos, parques, etc. Se incluyen veredas, zonas peatonales de parques y plazas, pavimentos de calles, que se construyen en las zonas urbanas. También debe considerarse el aspecto ornamental. Se puede utilizar losas de concreto, lajas de piedra, bloques de granito, ladrillo, prefabricados, etc.

A.3.

A.4.

Pavimentos para carreteras.- Los utilizados en vías carrosables, de uno o más carriles. Consta de una o más capas y sus dimensiones deben diseñarse estructuralmente, para soportar las solicitaciones del tránsito vehicular, teniendo en consideración además, la calidad del terreno de fundación y de los materiales empleados. Pueden utilizarse suelos estabilizados, pavimentos asfálticos, de concreto de cemento Portland o una combinación de estos. Pavimento para aeropuertos.- Aquellos que se construyen en las pistas de aterrizaje y zonas de parqueo de aviones en los aeropuertos. Soportan grandes cargas así como efectos muy altos de abrasión, lo que exige consideraciones especiales para el diseño estructural y de la calidad de los materiales, por lo que su costo resulta elevado. En este caso se utilizan concretos asfálticos o de cemento Portland y los pavimentos mixtos.

A.5.

Pavimento para malecones portuarios y muelles.- Necesitan un tratamiento especial, ya que se construyen sobre estructuras artificiales como son los muelles y generalmente soportan cargas estáticas, debido a la presencia de grúas.

B.-

POR LA FORMA EN QUE TRANSMITEN LAS CARGAS.

B.1.

Pavimento flexibles.- Son aquellos que tienen una base flexible, sobre la cual se puede construir una capa de rodamiento formada por una mezcla bituminosa de alquitrán, brea o asfalto. Por ser flexibles se adaptan al terreno y a ciertos asentamientos diferenciales del mismo.

B.2.

Pavimento rígidos.- Son aquellos en los cuales la capa de rodamiento está formada por concreto de cemento Portland, con o sin armadura metálica.

B.3.

Pavimento Semirígidos.- Son aquellos cuyos componentes le permiten un comportamiento semirígido, Se incluyen aquí los pavimentos construidos con adoquines de concreto, o los que tienen capa de rodadura de concreto asfáltico, sobre una base o subbase estabilizada con cemento o cal.

C.-

POR LOS MATERIALES EMPLEADOS.

C.1.

Suelos estabilizados.- Son los pavimentos compuestos de una mezcla controlada de suelos nativos y de "aditivos", como asfalto, cemento Portland, cloruro de calcio y, en ciertas ocasiones, arcilla y arena u otro material granular; con la finalidad de aumentar su resistencia al corte y a los esfuerzos abrasivos, usados sobre todo para tráfico bajo y liviano. Los suelos estabilizados también servir como excelente base para ciertos tipos de pavimentos.

C.2.

Pavimento bituminosos.- Se agrupan en esta categoría aquellos pavimentos cuya superficie de rodadura lo constituye una mezcla de agregados y material bituminoso, generalmente asfalto, asentados sobre una o más capas de material granular. Su comportamiento estructural es de tipo flexible, pero si las capas inferiores lo forman suelos estabilizados de alta rigidez y resistencia mecánica, su flexibilidad puede disminuir y a veces desaparecer, adoptando un comportamiento semirígido o rígido.

C.3.

Pavimento de concreto de cemento Portland.- Son estructuras en las que la losa absorbe los esfuerzos producidos por las cargas del tránsito y los transmite en grandes áreas del terreno de fundación directamente o a través de una o más capas de material granular. Las losas pueden ser de concreto simple, armado, o tensionado y su comportamiento es de naturaleza rígida.

C.4.

Pavimentos varios.- Se agrupan bajo esta clasificación los pavimentos construidos de piedra, ladrillo, madera, láminas metálicas, fibra sintética, etc. que cubren requisitos estéticos, térmicos o de otro tipo.

D.-

POR SU CALIDAD.

D.1.

Pavimentos económicos.- Son los de menor costo de construcción, dentro de los que podemos considerar a los suelos estabilizados y a los tratamientos superficiales.

D.2.

Pavimento de tipo intermedio.- Costo un poco más elevado que los anteriores, como generalmente lo son las mezclas baratas de asfalto in situ o en planta, macadam de penetración y similares.

D.3.

Pavimento de tipo superior.- Son más costosos, utilizados generalmente en carreteras de primera clase, carreteras duales y en aeropuertos importantes. Aquí se incluyen los pavimentos de concretos asfálticos, concretos de cemento Portland, mixtos, los mosaicos, etc.

D.4.

Pavimentos de lujo.- Son los que además de cumplir requisitos estructurales especiales, cumplen funciones estéticas y ornamentales. Podemos considerar dentro de este tipo, los pavimentos de adoquines de vidrio, enlosados, etc.

5.- ESTRUCTURA DE UN PAVIMENTO. La calidad, naturaleza, espesor y composición de la estructura de un pavimento dependen del volumen y tipo del tráfico, de la calidad, costo y disponibilidad de los materiales, de las condiciones climáticas, de la capacidad de soporte de la subrasante y, de que el pavimento se vaya a construir en etapas por un período de varios años. La conformación de unos pavimentos es tan variada, que va desde una superficie estabilizada de tierra, obtenida por remoldeado y compactación del terreno existente, hasta un concreto asfáltico de alta calidad o pavimento de concreto de cemento Portland, o una combinación de ambas, con varias capas de base y subbase. (Ver figuras)

6.- CONDICIONES QUE DEBE TENER UN PAVIMENTO. Son muchas las condiciones o cualidades que debe tener o cumplir un buen pavimento, las más relevantes e importantes son: a)

Tener Resistencia Estructural.- Es la condición más importante que debe satisfacer un pavimento a fin de ser capaz de soportar las cargas estáticas y dinámicas que le impondrá el tráfico, por ello tendrá el espesor y constitución adecuada, deberá recepcionar convenientemente las cargas y transmitirlas o distribuirlas en forma satisfactoria a la subrasante sin que se produzcan deformaciones permanentes y perjudiciales, así como impedir la formación de grietas en su estructura interna y evitar el desplazamiento de sus partículas. Esta condición implica también que el pavimento será resistente a la acción repetitiva de las cargas. Acción que con el transcurso del tiempo suele llegar a producir el agotamiento o fatiga del material que constituye El pavimento, también la repetición de cargas, ocasiona la interpenetración de partículas granulares en las capas de suelo más fino.

b)

Ser durable.- En Ingeniería este requerimiento es muy importante, por cuanto si se va a disponer una obra, esta, a la vez que ha de cumplir un objetivo o satisfacer una necesidad, tiene que ser duradera para un período de diseño, o más propiamente para un tiempo de servicio, al término del cual habrá justificado plenamente la inversión efectuada en su construcción. Para satisfacer este condicionamiento, el pavimento

resistirá la acción de las aguas de lluvia, la acción abrasiva del tránsito, de las inundaciones, de los movimientos sísmicos, así como el efecto abrasivo del viento y de la arena, también efectos destructivos de las heladas y agentes atmosféricos. c)

Ser cómodo y Seguro para el Tránsito.- El pavimento debe tener una superficie uniforme, suave; es decir no presentar rugosidad u ondulaciones ni longitudinales ni transversales, además, será suficientemente áspera, que evite el resbalamiento sobre todo cuando se trate de zonas lluviosas.

d)

Ser Económico.- Su costo de construcción debe ser el menor, sin que esto signifique sacrificar las condiciones de resistencia y buen servicio, por lo que se deberán optimizar el uso de los materiales de la zona, la mano de obre, equipo y reducir los costos indirectos.

e)

Tener Capacidad de Deformación.- Será capaz de adaptarse a pequeños asentamientos diferenciales que no sean perjudiciales a la estructura, sin perder sus condiciones de resistencia, comodidad y durabilidad.

f)

Ser Posible de Conservación .- Son muy variadas las condiciones de los terrenos sobre los cuales se construye un pavimento. Los factores climáticos, la intensidad del tránsito, el comportamiento de los taludes, rellenos, zonas pantanosas o de anegamiento, etc., requieren de la ejecución de tareas permanentes de conservación y mantenimiento, lo que debe preverse al momento de proyectar la construcción del pavimento. Además de las condiciones mencionadas, un pavimento deberá ser: - Impermeable. - Resistente a la formación de baches. - Agradable a la vista. - Insonoro y - Tal que no produzca polvo. 7.- ELECCIÓN DEL PAVIMENTO MAS CONVENIENTE DE UNA VÍA. La determinación del pavimento más adecuado para una determinada vía debe pasar por el análisis de los aspectos técnicos y económicos, esto significa, en el aspecto técnico, la determinación de las condiciones que presenta: -

El tráfico, La capacidad de soporte de la subrasante, Calidad y disponibilidad de los insumos para la construcción;

Y en lo económico: - Los costos de la inversión, - Tiempo de la construcción, - Vida útil, - Costo en conservación y mantenimiento, etc. A estos factores, hay que agregar en ocasiones, otros de carácter administrativo, social, político y a veces militares, como en los casos de estrategia antisubversiva y defensa de fronteras. Como elementos de juicio para la elección del pavimento de una vía se pueden analizar los cuadros siguientes:

TABLA Nº 1.- TRÁNSITO PROMEDIO DIARIO Vs. TIPO DE PAVIMENTO ──────────────────────────────────────────────────── VOLUMEN PROMEDIO DIARIO TIPO DE PAVIMENTO ──────────────────────────────────────────────────── Menos de 400 vehículos Económico De 400 a 1000 vehículos Intermedio De 1000 a más vehículos Costoso Para aeropuertos Costoso ───────────────────────────────────────────────────── TABLA Nº 2.- CATEGORÍA DEL PAVIMENTO. ───────────────────────────────────────────────────── CATEGORÍA DESCRIPCIÓN ───────────────────────────────────────────────────── 1 Calles residenciales, estacionamientos de automóviles. 2 Calles residenciales alimentadoras. Pocos autobuses. 3 Avenidas. Estacionamientos Industriales. Regular cantidad de autobuses. Calles y estacionamientos de mercados de abastos. 4 Calzadas y calles comerciales con muchos autobuses. 5 Carreteras urbanas y autopistas. ─────────────────────────────────────────────────── 8.- VENTAJAS COMPARATIVAS DE LOS PAVIMENTOS

PAVIMENTOS FLEXIBLES.Como se anotó anteriormente, tienen una base flexible o semirígida y la capa de rodadura se construye a base de mezclas bituminosas de asfalto, alquitrán o brea. Transmiten la carga que reciben a la subrasante en una zona muy próxima a la de aplicación de la carga. Su estudio se basa en la teoría de Bousinesqui. PAVIMENTOS RÍGIDOS.La capa de rodadura está compuerta por una losa de concreto simple o armado, con a sin base granular, distribuyen las cargas que reciben a la sub rasante en forma uniforme y a una distancia considerable del punto de aplicación de la carga. En este caso, la carga de diseño es una carga repartida y el diseño se basa en la teoría de Westergaard.

PAVIMENTOS MIXTOS.Conformado por capas flexibles y rígidas. En este caso, el pavimento flexible sirve además como una capa o carpeta de desgaste. Trabaja como una combinación de los anteriores.

SEMEJANZAS.-

Ambos tipos de pavimento se pueden utilizar en cualquier tipo de vía. Ambos se pueden usar en cualquier medio o región. Los dos tipos de pavimento se construyen sobre loa subrasante. Ambos tipos de pavimento sirven para mejorar la capacidad de soporte del camino. Los dos tipos de pavimento proporcionan comodidad al tránsito vehicular.

DIFERENCIAS.PAVIMENTO FLEXIBLE. -

Todas las capas trabajan, es decir soportan esfuerzos de corte. Se pueden utilizar los materiales existentes en la zona. Su estructura tiene varias capas.

PAVIMENTO RÍGIDO. -

La losa absorbe todos los esfuerzos de corte El material a usar en la construcción debe ser seleccionado. Puede tener una sola capa, la losa se comporta como capa de rodadura y base.

VENTAJAS COMPARATIVAS.-

En general, el pavimento flexible suele ser más barato que el rígido. El pavimento flexible se acomoda mejor al terreno. Por las noches, el pavimento rígido garantiza mayor visibilidad, por su color más claro. Evita el deslumbramiento. La superficie del pavimento rígido se comporta mejor que del flexible bajo la lluvia, siendo este último más resbaladizo. El pavimento rígido soporta mejor las altas temperaturas, ya que el flexible se puede "aflojar" perdiendo su consistencia. El pavimento flexible es más fácil de reparar y más económico. La técnica de construcción del pavimento rígido es más fácil. Para la construcción del pavimento flexible se necesita una temperatura ambiental mínima (entre 15 y 20 C) y que no llueva, lo que no sucede con el pavimento rígido.