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• Manuel Manco Céspedes

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ESTUDIO DE SUELOS CON FINES DE PAVIMENTACION OBRA

:

PAVIMENTACIÓN DE PISTAS Y VEREDAS

DISTRITO

:

CAHUAC

PROVINCIA

:

YAROWILCA

DPTO

:

HUANUCO

SOLICITADO

:

MUNICIPALIDAD DE CAHUAC

JULIO DE 2012

INFORME TECNICO INDICE 1.-

INTRODUCCION

2.-

ALCANCES DEL ESTUDIO

3.-

CLASIFICACION DE LA VÍA

4.-

TRABAJOS EFECTUADOS

5.-

CLASIFICACION DE SUELOS Y PERFIL ESTRATIGRAFICO

6.-

ESTRUCTURACION Y DISEÑO DEL PAVIMENTO

7.-

MATERIALES A UTILIZARSE

8.-

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

9.-

ANEXOS 9.1 RESULTADOD LABORATORIO Y GRAFICOS 9.2 PLANO DE UBICACIÓN DE LOS PUNTOS EN ESTUDIO

ESTUDIO DE SUELOS CON FINES DE PAVIMENTACIÓN 1. INTRODUCCION El presente informe técnico contiene la investigación realizada sobre el suelo donde se ejecutará el proyecto denominado “Pavimentación de Pistas y Veredas de Cahuac”, ubicado en el distrito de Cahuac, provincia de Yarowilca, departamento de Huánuco. Esta investigación, correlacionada con la teoría de Mecánica de Suelos, ha tenido la finalidad de determinar las características físicas y mecánicas del suelo subyacente para fines de pavimentación de las mencionadas calles y fue desarrollada mediante los trabajos de campo y de gabinete siguientes: a) La excavación de tres (3) pozos de exploración o calicatas “a cielo abierto”, hasta 1.50 m. de profundidad; b) Ensayos de laboratorio de Mecánica de Suelos con fines de identificación de las muestras de suelo encontradas en la prospección; c) La clasificación de suelos, desde el punto de vista de las vías terrestres, según las Normas ASSHTO; d) La evaluación técnica de los resultados de los ensayos de laboratorio con la finalidad de definir la estructura del pavimento El estudio fue solicitado por la Municipalidad de Cahuac y se complementa con las Normas de Diseño de Carreteras y Vías del Ministerio de Transportes y las correspondientes a la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO). 2. ALCANCES DEL ESTUDIO El terreno donde se ejecutará la pavimentación tiene una topografía con pendientes variables, sobre la que se desarrolla con inconvenientes el transito vehicular al no estar pavimentada la red vial de calles existente. 3. CLASIFICACION DE LA VÍA Las calles a pavimentar, por la importancia vehicular de la zona donde se circunscriben, puede se considerada como vías de tráfico medio. 4. TRABAJOS EFECTUADOS 4.1 EXCAVACIONES 4.1.1 Para definir el perfil estratigráfico del características físicas y mecánicas del suelo calicatas o pozos “a cielo abierto” en el pavimentación de la vía, cuyo detalle se muestra CALICATA

UBICACIÓN

terreno en estudio y las existente, se realizaron 3 sector destinado para la en el cuadro siguiente: PROFUNDIDAD (m) 1.50

C-1

Calle Buenos Aires

C-2

Calle Santa Rosa

1.50

C-3

Calle 2 de Mayo

1.50

Las profundidades arriba indicadas están referidas al nivel actual del terreno. 4.1.2 En las excavaciones realizadas no se detectó la presencia del nivel freático. 4.2 MUESTREO DISTURBADO De cada una de las excavaciones efectuadas se escogieron muestras disturbadas de suelos pertenecientes a cada estrato encontrado, con la finalidad de realizar los ensayos de laboratorio de Mecánica de Suelos con fines de la identificación y clasificación de suelos, así como para que con los ensayos especiales se definan los parámetros de resistencia. 4.3 REGISTRO DE EXCAVACIONES Conjuntamente a la toma de muestras representativas de suelos, se elaboraron los registros de las excavaciones, los cuales precisan la estratigrafía encontrada y en los que se han anotado entre otras características: el espesor, el color, la plasticidad, la compacidad, el contenido de humedad, el tamaño de las partículas, etc. Los registros de las excavaciones se muestran en los anexos que se adjuntan al estudio. 4.4 ENSAYOS DE LABORATORIO Los ensayos fueron realizados siguiendo las Normas establecidas por la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO). Estos ensayos de laboratorio sobre las muestras obtenidas se han clasificado en: 4.4.1 ENSAYOS ESTANDARES 4.4.1.1 Análisis Granulométrico por Tamizado (ASTM-D421) Este ensayo consistió en tamizar las muestras de suelos extraídas de cada una de las calicatas, en estado seco, a través de una serie de mallas de dimensiones estandarizadas (tamices), a fin de determinar las proporciones relativas de los diversos tamaños de las partículas constituyentes del suelo. Límites de consistencia Estos ensayos efectuados sobre la fracción de muestra de suelo que pasa la malla Nº 40 definen cuantitativamente el efecto de la variación del contenido de humedad en las características de plasticidad del suelo. Los límites de consistencia son los denominados: Límite Líquido (ASTMD4318) y el Límite Plástico (ASTM-D4318). La obtención del límite líquido y plástico de una muestra de suelo permite determinar un tercer parámetro que es el índice de plasticidad. 4.4.1.2 Material más fino que pasa la malla Nº 200 (ASTM-D140).

4.4.1.3 Contenido de Humedad Natural (ASTM-D-2216), expresada como porcentaje del peso de agua presente en el suelo con relación al peso de las partículas sólidas. 4.4.2 ENSAYOS ESPECIALES Se realizó el ensayo denominado California Bearing Ratio C.B.R. (ASTMD1883) para evaluar la capacidad relativa del suelo, específicamente en la sub rasante existente, bajo condiciones de densidad y humedad cuidadosamente controladas. Los resultados de los Ensayos de Laboratorio se detallan en el anexo adjunto. 5. CLASIFICACION DE SUELOS Y PERFIL ESTRATIGRAFICO Las muestras ensayadas fueron clasificadas de acuerdo a la AASHTO y al Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S). Las muestras no ensayadas fueron clasificadas mediante pruebas sencillas de campo, consistentes en la observación y la comparación con las muestras representativas ensayadas. Los resultados de laboratorio sobre las muestras de suelo del lugar han permitido establecer la siguiente clasificación AASHTO: CALICATA PROFUNDIDAD CLASIFICACION (m) A.A.S.H.T.O. C-1 0.25 – 0.80 A-6 0.80 – 1.50 A-6 C-2 0.30– 1.20 A-6 0.80 – 1.50 A-6 C-3 0.00 – 1.50 A-6

Tipo de Material A-6: De acuerdo a la carta de plasticidad AASHTO corresponde a un material limo arcilloso de baja plasticidad, de mala calidad como subrasante. Terreno de Fundación: En general la calidad del terreno estudiado como subrasante no es buena. La inspección “in situ” efectuada en la zona, así como los resultados de laboratorios que se adjuntan; permite definir que el perfil estratigráfico del suelo tiene las siguientes características: Superficialmente presenta una capa de material agrícola de naturaleza arcillosa de un espesor promedio de 0.40 m. La capa subsiguiente a profundidades que fluctúan desde los 0.30 m. a 1.50 m. en la zona estudiada se presentan arcillosos que de acuerdo a la clasificación SUCS son del tipo CL y según la clasificación AASHTO los suelos encontrados predominantemente son de tipo A-6 . Por las consideraciones mencionadas la sub rasante encontrada en el estudio para el caso específico no es de buena calidad.

6. ESTRUCTURACION Y DISEÑO DEL PAVIMENTO 6.1 Filosofía del Diseño El pavimento o superestructura de la obra vial tiene como principal función la de proporcionar una superficie de rodamiento uniforme y que sea resistente a los esfuerzos normales y tangenciales transmitidos por los neumáticos de los vehículos, por lo que su constitución estructural (capas) debe tener el espesor suficiente para que permita trasmitir adecuadamente los esfuerzos del tránsito al suelo de cimentación. Por lo tanto, cada capa o estrato de la estructura vial debe estar apta para resistir los esfuerzos a los que será sometido por las cargas 6.2 Factores de Diseño Los factores que intervienen en el diseño estructural del pavimento son: a. El Tráfico Se define por sus características físicas, la carga por rueda, la presión de inflado de los neumáticos, el número y frecuencia del paso de las cargas. b. El Suelo de Cimentación c. Los Materiales, las características físicas y mecánicas de las diversas capas de la estructura estarán relacionadas con el tipo de material empleado en su constitución. 6.3 Tipo de Pavimento La pavimentación de las calles en estudio será la del tipo rígido (concreto) sin elementos de transferencia de carga (dovelas), por las siguientes ventajas:  por su alta rigidez por la cual le trasmiten al suelo, las cargas y esfuerzos en áreas muy grandes. Esta característica hace que con frecuencia sus costos de construcción compitan con otras alternativas en el caso de suelos de baja capacidad portante como es el caso de Cahuac,  por su alta resistencia al desgaste, no se ahuellan, y cuando tienen menos de 5 metros de longitud el efecto de la temperatura en los esfuerzos es despreciable,  por la disponibilidad de la mano de obra, sobre todo durante la construcción de pavimentos para vías secundarias o terciarias, que por sus características se pueden construir con medios muy sencillos, con equipos simples, herramientas de fácil consecución y con uso intenso de mano de obra con baja capacitación.  porque cuando se consiguen recursos para construcción, pero no para mantenimiento, los pavimentos de concreto son preferibles a los de asfalto. Sin embargo, entre las desventajas de los pavimentos de concreto está que la presencia de juntas y la alta rigidez hacen que cuando se construyen sobre materiales erosionables se de el fenómeno del bombeo que ocurre por la acción conjunta del paso de los vehículos y del agua, sobretodo, cuando las vías están destinadas a tránsitos medios y altos. El deterioro se puede

atenuar y aun controlar cambiando el material de soporte de las losas, con una buena concepción de juntas y dotándolas de barras de transferencia de carga de acero liso (dovelas) e implementando un buen sistema de drenaje. Es necesario en este punto advertir que los pavimentos de concreto son muy sensibles al subdiseño, o a la presencia de sobrecargas no contempladas en el estudio del tránsito. Por el contrario un aumento en el espesor de diseño, de uno o dos centímetros proporciona una buena protección con relación a eventuales sobrecargas y pueden llegar a duplicar la vida útil del pavimento. Una característica de las estructuras de los pavimentos de concreto es que se construyen en una sola etapa, lo cual hace que no exista incertidumbre sobre su comportamiento a largo plazo, pues no necesita sobrecapas rutinarias, para mantener un adecuado nivel de servicio. 6.4 Evaluación de la Sub-rasante La sub rasante para el tramo en estudio esta conformada por el suelo natural existente o material limo arcilloso, que corresponde desde el punto de vista de pavimentos a un material de mala calidad y no apto como terreno de fundación. Por tal motivo, este material para ser utilizado como sub rasante tiene que ser mejorado con material seleccionado para compactarse a una densidad de por lo menos el 95% de la máxima densidad seca, obtenida del ensayo Proctor modificado. 6.5 DISEÑO 6.5.1 PREMISAS En cualquier caso se efectuará el diseño estructural considerando los siguientes factores: a) Calidad y valor portante del suelo de fundación y de la sub-rasante. b) Características y volumen del tránsito durante el período de diseño. c) Vida útil del pavimento d) Condiciones climáticas y de drenaje. e) Características geométricas de la vía. f) Tipo de pavimento a usarse. Los métodos de diseño para pavimentos de concreto más utilizados son los propuestos por la AASHTO en 1993 y la PCA (Portland Cement Association) en 1984. Ambos métodos tienen características distintas y los espesores calculados con ellos, para condiciones similares, pueden ser diferentes. 6.5.2 CONSTITUCIÓN DEL PAVIMENTO RÍGIDO (PISTAS) Los elementos que conforman un pavimento rígido son: subrasante, subbase y la losa de concreto. A continuación se hará una breve descripción de cada uno de los elementos que conforman el pavimento rígido. a) Subrasante La subrasante es el soporte natural, preparado y compactado, en la cual se puede construir un pavimento. La función de la subrasante es dar un apoyo razonablemente uniforme, sin cambios bruscos en el valor soporte, es decir,

mucho más importante es que la subrasante brinde un apoyo estable a que tenga una alta capacidad de soporte. Por lo tanto, se debe tener mucho cuidado con la expansión de suelos. El suelo de fundación de la zona en estudio tiene una resistencia muy baja. Se estima el módulo de reacción Kc=135 kp/cm (4872 pci)y el módulo de resiliencia MR=6.9 kg/cm2 para un valor CBR (95% de la D.S.M.) = 10.08% obtenido sobre una muestra de suelo. b) Subbase (terreno de fundación) La capa de subbase es la porción de la estructura del pavimento rígido, que se encuentra entre la subrasante y la losa rígida. Consiste de una o más capas compactas de material granular o estabilizado; la función principal de la subbase es prevenir el bombeo de los suelos de granos finos. La subbase es obligatoria cuando la combinación de suelos, agua, y tráfico de la subrasante puedan generar el bombeo, como es el caso en estudio. La subbase debe cumplir las siguientes funciones: • Proporcionar uniformidad, estabilidad y soporte uniforme. • Incrementar el módulo (K) de reacción de la subrasante. • Minimizar los efectos dañinos de la acción de las heladas. • Proveer drenaje cuando sea necesario. • Proporcionar una plataforma de trabajo para los equipos de construcción. c) Losa La losa es de concreto de cemento portland. El factor mínimo de cemento debe determinarse en base a ensayos de laboratorio y por experiencia previas de resistencia y durabilidad. Se deberá usar concreto con aire incorporado donde sea necesario proporcionar resistencia al deterioro superficial debido al hielo-deshielo, a las sales o para mejorar la trabajabilidad de la mezcla. Calidad del Concreto Las mezclas del concreto para pavimentos deben de estar previstas para: a) Garantizar una durabilidad satisfactoria dentro de las condiciones de requerimiento del Pavimento. b) Para asegurar la resistencia deseada a la flexión. La flexión en los pavimentos de concreto, bajo las cargas aplicadas por los neumáticos, produce esfuerzos de comprensión y tensión. Los esfuerzos de compresión son pequeños en relación a la resistencia de la misma, y sin mayor incidencia en el espesor de la losa. Por lo tanto el concreto que se utiliza en los pavimentos se especifica por su resistencia a la flexión, medida por el Módulo de Rotura a Flexión, a los 28 días (MR) expresada en kg/cm2 y generalmente varía entre los siguientes valores: 40 ≤MR≤ 50. En pavimentos de concreto se exige: MR = 40 kg/cm2 o sea f´c= 280 kg/cm2, aceptándose f´c=210 kg/cm2 para tráfico ligero como es el que ocurrirá en Cahuac.

Análisis de Tráfico El análisis de tráfico y la clasificación de vía se obtienen a partir del número de vehículos que, probablemente, pasarán diariamente por el sistema vial proyectado. La PCA y la AASHTO, sólo consideran los vehículos pesados, tales como camiones, autobuses, etc. en el cálculo de la estructura, con carga superior a 5 ton. Este tipo de vehículos, generalmente, corresponden a 6 o mas ruedas; los de peso inferior o vehículos ligeros, camionetas o tractores sin carga, provocan un efecto mínimo sobre el pavimento y no son considerados en los cálculos estructurales del pavimento de concreto. 6.5.3 DISEÑO DEL PAVIMENTO POR EL METODO DE LA AASHTO El espesor de la losa, que corresponde, se puede calcular resolviendo la ecuación siguiente -planteada por el método- o mediante el uso de gráficos o ábacos que proporciona la Guide for Design of Pavement Structures AASHTO.

Los factores involucrados en el diseño • Serviciabilidad inicial (po) • Serviciabilidad final (pt) • Periodo de diseño • Transito de eje equivalentes (W18) • Factor de transferencia de carga (J) • Modulo de rotura del concreto (MR) • Modulo de elasticidad del concreto (Ec) Tomando los siguientes valores obtenidos de los gráficos de la AASHTO para las condiciones del terreno y transito de la zona de estudio- tenemos: K = 4872 pci PSI INICIAL=4.5 PSI FINAL=2 EC =5x106psi Cd =0.80 J =3.2 So= 0.30 Z=0 E18 (EALS)=274206345

Obtenemos que la estructura del pavimento (pistas) tendrá la siguiente conformación: SUB BASE BASE: PAVIMENTO DE CONCRETO

6” (15 cm.) - Afirmado tipo A-1-a(0) 6” (15 cm.) - Afirmado tipo A-1-a(0) 8” (20 cm.) – f´c= 210 kg/cm2

6.5.4 DISEÑO DE VEREDAS El procedimiento de diseño está basado sobre fórmulas reconocidas, en ensayos de laboratorio y en el comportamiento de los pavimentos (veredas) en servicio durante muchos años. Los cálculos para efectuar un análisis de las tensiones a las que estará sometido el pavimento de concreto o para establecer las dimensiones de la sección transversal necesarias para resistir las cargas previstas se sustentan en gráficos que correlacionan el espesor de las losas con las cargas de eje simple y el módulo de reacción K de la subrasante. El valor del soporte de la subrasante se determina de acuerdo al módulo de reacción K, el que a su vez se correlaciona con el índice CBR. El Método Simplificado de la Pórtland Cement Association (PCA), para el caso en que no se dispone de información detallada sobre la distribución de cargas por eje ha elaborado unas tablas de diseño basadas en distribuciones de cargas por eje. Para el caso en estudio se tienen los siguientes datos: Categoría por Eje 1 para un Tránsito Promedio Diario (TPD) bajo o medio Resistencia a la flexión del concreto (MR) = 45 kg/cm2 Resistencia a la compresión del concreto = 140 kg/cm2 Resistencia de la sub rasante o del conjunto sub rasante sub base o modulo de reacción K= 18 kg/cm2/cm Periodo de diseño = 20 años El grado de transferencia de carga proporcionado en las juntas transversales (en el caso sin pasadores de transferencia y con sardinel) El factor de seguridad de carga (F S C) =1.0 Con los datos indicados y usando las tablas del método obtenemos la estructura de las veredas: LOSA DE CONCRETO 10 cm (4”) BASE GRANULAR 10 cm (4”) SUBASE GRANULAR 5 cm (2”) ESPESOR TOTAL DEL PAVIMENTO 25 cm (10”) 7. MATERIALES A UTILIZARSE (PISTAS) 7.1 Subrasante El terreno de fundación existente, luego del corte, escarificado, perfilado de su superficie y la compactación adecuada, a por lo menos 95% de la máxima densidad seca del ensayo Proctor Modificado, puede usarse como superficie receptora del material de la base.

7.2 Sub base El espesor compactado para subbase granular deberá ser de 0.15 m. El material a emplearse en la capa mencionada deberá ser de cantera de reconocida calidad, granular seleccionado del tipo A-1-a(0) o A-1-b(0) del sistema de clasificación AASHTO que deben cumplir los requisitos de granulometría siguientes: % QUE PASA (EN PESO) SUB-BASE MALLA ABERTURA

SB-2

Tolerancia

70-100

100

+/- 6

1"

60-100

72-100

+/- 6

½”

46-90

60-100

+/- 6

3/8"

40-70

53-85

+/- 8

Nº 4

30-60

40-70

+/- 8

Nº 10

20-45

30-55

+/- 6

Nº 40

10-15

18-32

+/- 5

Nº 200

5-15

5-15

+/- 4

2"

SB-1 100

1 ½”

Los porcentajes a emplear en obra, deberán estar dentro del huso granulométrico correspondiente (SB-1, SB-2) teniendo como tolerancia para cada malla la indicada. Además, el material de la subbase también deberá cumplir con los siguientes requisitos de calidad: Ensayos

Norma MTC

Norma ASTM

Norma AASHTO

Requerimiento

Abrasión

MTC E 207

C 131

T 96

50 % máx.

CBR (1)

MTC E 132

D 1883

T 193

40 % mín.

Límite Líquido

MTC E 110

D 4318

T 89

25% máx.

Índice de Plasticidad

MTC E 111

D 4318

T 89

6% máx.

Equivalente de Arena

MTC E 114

D 2419

T 176

25% mín.

Sales Solubles Partículas Chatas Alargadas (2)

MTC E 219

(1) (2)

y

MTC E 211

1% máx. D 4791

20% máx.

Referido al 100% de la Máxima Densidad Seca y una Penetración de Carga de 0.1"(2.5mm) La relación ha emplearse para la determinación es 1/3 (espesor/longitud)

7.3 Base El espesor compactado para subbase granular deberá ser de 0.20 m. El material a emplearse en la capa mencionada deberá ser de cantera de

reconocida calidad, granular seleccionado del tipo A-1-a(0), y compactado al 100% de la Máxima Densidad Seca del Proctor Modificado, y que cumpla las siguientes exigencias: MALLA ABERTURA

% QUE PASA (EN PESO) BG-1

2"

BG-2

Tolerancias

100

1 ½”

97-100

100

±5

1"

79-90

97-100

±5

¾”

67-81

82-92

±5

3/8"

48-65

56-70

±7

N° 4

33-47

39-53

±7

N° 10

25-35

26-39

±5

N° 40

10-19

12-21

±4

N° 200

4-8

4-8

±2

Los porcentajes a emplear en obra, deberán estar dentro del huso granulométrico correspondiente (BG-1, BG-2) teniendo como tolerancia para cada malla la que se indica en la columna derecha. El material de Base Granular deberá cumplir además con las siguientes características físico-mecánicas y químicas que a continuación se indican:

Valor Relativo de Soporte, CBR

Ensayo

Tráfico Ligero y Medio

Mín 80%

Tráfico Pesado

Mín 100%

Norma MTC

Norma ASTM

Norma AASHTO

Requerimientos

Partículas fracturada

con

una

cara MTC E 210

D 5821

80% min.

Partículas fracturadas

con

dos

caras MTC E 210

D 5821

40% min.

Abrasión Los Ángeles

MTC E 207

C 131

T 96

40% máx

Partículas Chatas y Alargadas (1) MTC E 221

D 4791

15% máx.

Sales Solubles Totales

MTC E 219

D 1888

0.5% máx.

Pérdida con Sulfato de Sodio

MTC E 209

C 88

T 104

-.-

Pérdida con Sulfato de Magnesio

MTC E 209

C 88

T 104

-.-

Los materiales de subbase y base de las veredas tendrán las mismas características físicas y químicas que los correspondientes a los de las pistas.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Para la longitud total de vía proyectada se recomienda: a) Utilizar como sub rasante el terreno de fundación existente, el cual debe ser bien escarificado y compactado al 95% de la máxima densidad seca, obtenida del ensayo Proctor modificado, retirándose todo material de relleno superficial. b) Colocar inmediatamente sobre la subrasante una capa de material que cumpla con todos los requisitos de un suelo A-1-a (0) (afirmado), con un espesor mínimo de 15 cm. (6”). Esta capa corresponderá a los 0.15 m de subbase, resultado del diseño del pavimento por el método de Wyoming. c) Seguidamente se colocara una capa de material bien graduado con todos los requisitos de un suelo A-1-a (0) (afirmado), con un espesor mínimo de 15 cm. (6”). Esta capa corresponderá a los 0.15 m de base, resultado del diseño del pavimento por el método de la AASHTO. d) Por último se colocará una losa de concreto, de espesor e = 8”, la cual cumplirá con todos los requerimientos de las normas de carreteras, tanto en su elaboración en planta como en su colocación en obra y de una resistencia f´c= 210 kg/cm2. e) Cualquier variación en la estratigrafía señalada en este informe deberá ser comunicada de inmediato al proyectista.

e) El presente estudio es válido sólo para el área investigada.

DISTRIBUCIÓN DE LAS CALLES DE CAHUAC A PAVIMENTAR