• Author / Uploaded
• glampreav

• Categories
• Materiales
• Naturaleza
• Física
• Ciencia
• Ingeniería

Citation preview

GERMÁN LAMPREA VARGAS ID UM24520SCI32860

Nombre del curso Maestría Diseño Avanzado de Pavimentos

Título de papel: Subrasante (SUBGRADE)

ATLANTIC INTERNATIONAL UNIVERSITY Fecha: Abril de 2013

TABLA DE CONTENIDOS INTRODUCCIÓN DESCRIPCIÓN ANÁLISIS GENERAL DESARROLLO SUBRASANTE CONCEPTOS BÁSICOS PARA EL ESTUDIO DE LOS SUELOS DE SUBRASANTE Meteorización Suelos transportados o sedimentarios Caracterización de la subrasante Relaciones de Fases CLASIFICACIÓN DE SUELOS Tamaño de partícula Forma de la Partícula Composición de las partículas Comportamiento Físico--Químico Límites de Atterberg Índice de plasticidad Ensayos aplicables a la subrasante Ensayo de CBR Ensayo de Placa Módulo Resiliente Comportamiento ante cargas repetidas Materiales Granulares Deformación permanente Estabilidad volumétrica Factores que influyen en el comportamiento de la subrasante Humedad y densidad CORRELACIONES ENTRE DISTINTAS VARIABLES DE RESISTENCIA Y EL MÓDULO RESILIENTE Muestreo y ensayos de campo y laboratorio de los suelos de la subrasante Problemática de la subrasante Mejoramiento de subrasantes blandas Suelos Orgánicos SUELOS SENSITIVOS O SENSIBLES SUELOS COLAPSIBLES LICUACIÓN SUELOS DISPERSIVOS SUELOS EXPANSIVOS ARCILLAS EXPANSIVAS Expansividad Intrínseca (Minerales Expansivos) Identificación de arcillas expansivas ESTABILIZACIÓN Algunos tipos de estabilización COMPACTACIÓN GEOSINTÉTICOS Aditivos Cal Cemento Asfalto Enzimas Polímeros Sulfonados Recomendaciones generales Conclusión Referencias

3 3 3 4 4 5 5 6 6 6 7 8 8 8 8 9 9 10 10 11 13 13 14 14 14 15 15 15 16 17 17 17 18 18 18 19 19 20 20 20 21 23 24 24 24 25 25 26 27 27 27 27 28 29

INTRODUCCIÓN En general la estructuración de un pavimento obedece a una disposición de las diversas capas y las características de los materiales empleados en su construcción, las cuales pueden ofrecer una variedad de posibilidades, de tal manera que puede estar formado por sólo una ó varias capas, y a su vez, éstas pueden ser de materiales naturales seleccionados, procesados y/o sometidos a algún tipo de tratamiento y/o estabilización. Asimismo la superficie de rodadura, tiene el propósito principal de proporcionar una superficie uniforme, de textura apropiada, resistente a la acción del tránsito, medio ambiente (intemperismo) y de otros agentes perjudiciales, así como transmitir adecuadamente al terreno de fundación, los esfuerzos producidos por las solicitaciones impuestas por el tránsito. La subrasante juega un rol primordial en la construcción de carreteras, independiente de la naturaleza de ésta. Por esta razón es necesario conocer sus características y su comportamiento frente a determinadas solicitaciones, ya que recibe las cargas impuestas por el tránsito, resistir la acción de los agentes atmosféricos y debe ser capaz de resistirlas bajo sus tensiones admisibles, sin experimentar deformaciones o asentamientos mayores que los permisibles para las estructuras que soporta. Las vías de comunicación son una importante base para el progreso de un país, para poder competir con el desarrollo económico, con la integración regional, desarrollo turístico y para contribuir a mejorar la calidad de vida de sus habitantes. Son un factor determinante para romper las barreras geográfica, sociales y alcanzar una expansión económica y social sostenible. Por medio los estudios se pueden diseñar y construir diferentes tipos de pavimentos que brinden seguridad, comodidad, mayor vida útil y mínimos costos de operación. Con el presente ensayo se pretende proporcionar criterios técnicos sólidos y coherentes, para posibilitar la evaluación de la subrasante para poder realizar el diseño y construcción de carreteras eficientes. Para este efecto, el ensayo, presenta factores que influyen en el comportamiento de la subrasante, tipos de muestreo y ensayos de campo y laboratorio de los suelos, y problemática, mejoramiento y estabilización de la subrasante a la realidad del país favoreciendo el uso de los recursos locales y, en especial, el cuidado de los aspectos de preservación del medio ambiente.

DESCRIPCIÓN Comúnmente los Ingenieros le prestan poca importancia a los reportes simples de laboratorio donde se indica el límite líquido y límite plástico del suelo y mucho menos importancia a su contenido natural de humedad, sin embargo la subrasante es una de las principales capas en la estructura de una obra vial es por esto la importancia que se le da a la misma en este estudio, en el cual se presentan sus propiedades, ensayos y todo lo que se refiera a la subrasante. En el diseño de un camino, cada una de las capas de la estructura experimenta por acción del transito, ciclos de esfuerzo con componentes vertical, horizontal y de corte. Por lo que se requiere realizar un cuidadoso estudio de los materiales granulares que se proyecten utilizar para conformar capas de base y subbase. La estructura de una vía debe ser diseñada de tal manera que las cargas impuestas por el tránsito no generen deformaciones permanentes excesivas, ya que la mayor parte de la acumulación de la deformación permanente ocurre en la subrasante, por lo tanto la capacidad de soporte de la subrasante es uno de los principales parámetros que define los espesores que tendrán las bases granulares y de rodadura.

ANÁLISIS GENERAL La subrasante está definida por su capacidad de soporte, la que indique o solicite el proyecto. Este soporte se refiere a la capa de suelo inmediatamente debajo del pavimento, y a las características geométricas en los sentidos transversal y longitudinal. Generalmente, las imprecisiones y sobretodo las variaciones de soporte de la subrasante determinan el empleo de las subbases, cuyo espesor varía con las condiciones de la subrasante y el tráfico. La interposición de esa capa entre la subrasante y la base del pavimento tiene por objeto, principalmente conseguir un soporte mínimo compatible con el proyecto y permitir la conformación de la plataforma dentro de las exigencias geométricas. El parámetro de suelo que define la capacidad de soporte puede ser el CBR (California Bearing Ratio), o R del estabilómetro de Hveem, o el coeficiente de balasto u otro índice equivalente. El dimensionamiento del espesor de las bases de suelo – cemento parte, por tanto, de un valor de soporte mínimo.

DESARROLLO SUBRASANTE Los ingenieros civiles enfrentan permanentemente el reto de construir y mantener estructuras de pavimento con recursos económicos limitados. Por esta razón, con mayor frecuencia los ingenieros recurren a alternativas de diseño que permitan estabilizar subrasantes y conformar plataformas de soporte para la construcción de vías, garantizando el desempeño de la estructura durante su periodo de servicio. Se le denomina subrasante al suelo que sirve como cimiento para la construcción de la estructura de un pavimento. Esta puede estar constituida por el suelo natural del corte o de la partes superior de un relleno debidamente compactado El diseño de un pavimentos estaba basado en las propiedades de la subrasante. Entre los parámetros que se tienen en cuenta están la clasificación de suelos, plasticidad, compresibilidad, resistencia al corte y drenaje. El espesor de pavimento dependerá en gran parte de la calidad de la subrasante, por lo que ésta debe cumplir con los requisitos de resistencia, incompresibilidad e inmunidad a la expansión y contracción por efectos de la humedad, por consiguiente, el diseño de un pavimento es esencialmente el ajuste de la carga de diseño por rueda a la capacidad de soporte de la subrasante. De acuerdo con las propiedades fundamentales de la subrasante se idearon ensayos para caracterizar mejor los suelos empleados para la construcción de vías. Ensayos usando cargas estáticas o de baja velocidad de deformación tales como el CBR, compresión simple son reemplazados por ensayos dinámicos y de repetición de cargas tales como el ensayo del módulo resiliente, que representan mucho mejor lo que sucede bajo un pavimento en lo concerniente a tensiones y deformaciones. La subrasante debe cumplir múltiples funciones como la de recibir y resistir las cargas de transito, trasmitidas desde la capa de pavimento y trasmitirlas en forma adecuada a capas inferiores, evitar que se contaminen las capas granulares de la estructura que se construya para la vía, evitar que sea absorbido material de las capas granulares y impedir que se reflejen imperfecciones hacia las capas del pavimento. La investigación que se realice sobre la subrasante puede efectuarse mediante perforaciones a intervalos definidos de acuerdo con la variabilidad del terreno, la longitud y la importancia del proyecto y los recursos técnicos y económicos disponibles. Las perforaciones deberán alcanzar, cuando menos, 500 mm bajo la cota proyectada de subrasante y a lo largo del alineamiento aprobado, con el fin de identificar la extensión y la condición de los diferentes depósitos de suelos que se encuentren Las propiedades de los suelos pueden dividirse en dos categorías: 1. 2.

Propiedades físicas: son usadas para selección de materiales, especificaciones constructivas y control de calidad. Propiedades ingenieriles: dan una estimación de la calidad de los materiales para caminos. La calidad de los suelos para subrasantes se puede relacionar con el módulo resiliente, el módulo de Poisson, el valor soporte del suelo y el módulo de reacción de la subrasante.

De la calidad de ésta depende, en gran parte, el espesor que debe tener un pavimento, sea éste flexible o rígido. Como parámetro de evaluación de esta capa se emplea la capacidad de soporte o resistencia ala deformación por esfuerzo cortante bajo las cargas del tránsito. Es necesario tener en cuenta la sensibilidad del suelo a la humedad, tanto en lo que se refiere a la resistencia como a las eventuales variaciones de volumen. Los cambios de volumen en un suelo expansivo, pueden ocasionar graves daños a las estructuras que se apoyan sobre éste, por esta razón, al construir un pavimento hay que intentar al máximo controlar las variaciones volumétricas del mismo a causa de la humedad. Es una parte esencial en el diseño de pavimentos. Tiene la particularidad de otorgar la respuesta estructural y el comportamiento del pavimento en construcción y operación. La subrasante puede estar constituida por suelos en su estado natural, o por éstos con algún proceso de mejoramiento tal como la estabilización mecánica, la estabilización fisicoquímica con aditivos como el cemento Portland, la cal, el asfalto, entre otras. Denominación: Es la fundación sobre el cual el pavimento será construido

   

Como material de fundación, se debe establecer cuál es su resistencia mecánica y específicamente ante la presencia de cargas. Se busca la relación entre la carga y la deformación unitaria La resistencia varía con las condiciones de humedad, compactación y confinamiento Deben representarse en laboratorio las mismas condiciones del proyecto

Tiene una gran influencia en las operaciones de construcción del pavimento y en la eficiencia del mismo. Las subrasantes inestables presentan problemas relativos a la colocación y compactación de los materiales de base y/o subbase y no dan soporte adecuado para las subsiguientes operaciones de pavimentación. Frecuentemente, las deficiencias en la construcción debidas a problemas de la subrasante no se detectan por encontrarse “ocultas” en el pavimento final; sin embargo pueden aparecer en el pavimento después de la exposición al tráfico y al medio ambiente. Las respuestas estructurales de un pavimento (esfuerzos, desplazamientos y agrietamientos) son influidas significativamente por la subrasante. Un gran porcentaje de las deflexiones en la superficie de un pavimento se puede atribuir a la subrasante. Por ser la deflexión de la superficie un criterio de diseño, es NECESARIO ASEGURAR que la caracterización de la subrasante sea la adecuada Las propiedades requeridas de la subrasante incluyen la resistencia, el drenaje, la fácil compactación, la conservación de la compactación, la estabilidad volumétrica Los suelos son altamente variables y sus propiedades cambian a lo largo del proyecto, en medida de que existan cambios en la humedad, en la densidad o se establezcan influencias ambientales, es decir, que las propiedades de la subrasante cambian con el tiempo CONCEPTOS BÁSICOS PARA EL ESTUDIO DE LOS SUELOS DE SUBRASANTE Un suelo es cualquier acumulación no consolidada de partículas sólidas, agua y aire. Estas partículas sólidas provienen de la desintegración mecánica o la descomposición química de las rocas. El suelo es un material térmico no homogéneo y poroso cuyas propiedades son influenciadas por los cambios de humedad y densidad. Las partículas individuales de los suelos pueden ser dedos tipos: Partículas Granulares: Son conjuntos de cristales minerales del cuarzo y feldespatos principalmente; se las puede observar y presentan formas redondeadas y angulares. Partículas Arcillosas: Son partículas laminares minúsculas que se las puede ver a través de un microscopio El suelo incluye desde mezclas bien definidas de unos pocos minerales hasta mezclas heterogéneas; con tamaños diversos como bloques o fragmentos de roca, gravas, arenas y arcillas y limos derivados de las rocas altamente meteorizadas, de planicies aluviales, depósitos glaciares, etc.

Meteorización La acción mecánica es una combinación de agrietamiento, rotura, abrasión, molienda y choque, que va reduciendo la roca a fragmentos cada vez menores. La descomposición es la alteración química de los minerales de la roca original para formar nuevos minerales que por lo general tienen características químicas y físicas diferentes de los primeros. No sólo por la composición química y mineralógica, sino también por su compacidad, porosidad y textura. Si la roca está o no fisurada, si tiene planos de discontinuidad. A partir de esos planos el agua puede penetrar y da lugar a la meteorización. Las salinas carbonatadas o yesíferas permiten una disolución. Las ferruginosas, oxidación y las silicatadas, hidrólisis. Suelos transportados o sedimentarios Depósitos transportados por el agua: Estos son muy frecuentes en los valles interandinos y a lo largo de los ríos principales, así como en vastas áreas del piedemonte llanero. Pueden ser fluviales o aluviales (aluviones, terrazas, abanicos). Estos suelos se caracterizan fundamentalmente por el siguiente aspecto: Los suelos están formados por partículas pequeñas (desde micras a algunos centímetros) e individualizadas que pueden considerarse indeformables. Depósitos Glaciales: El hielo excavó, transportó y depositó rocas sueltas y suelo. Los depósitos reciben nombres como tilita, y morrenas. 1. La tilita es aquella fracción del material transportado por un glaciar y directamente depositada por éste, sin transporte o acomodación (ordenamiento) por agua. 2. Las morrenas, formadas por material proveniente de las rocas, de cualquier clase, depositado al cabo de ser transportado de un lugar a otro 3. Depósitos fluvioglaciales: Formados por considerables cantidades de agua que fluyeron de las caras de los glaciares continentales y llevaron materiales gruesos a cortas distancias y arenas, limos y arcillas por largas distancias 4. Eólicos: El viento es un agente altamente selectivo; lleva partículas de arena de tamaños mayores a 0.05 mm. Los depósitos se forman en regiones desérticas y semidesérticas donde la desintegración mecánica produce abundancia de partículas gruesas. Caracterización de la subrasante Recopilación y análisis de información:  Informes previos de estudios de suelos y pavimentos en el área proyecto.  La respuesta del suelo de subrasante es el factor más importante en la determinación de los espesores de diseño del pavimento  La respuesta de la subrasante ante las cargas del tránsito depende de los tipos de suelo que la constituyen y de la densidad y la humedad de ellos, tanto durante la construcción como durante el servicio.  Exploración de la subrasante  Definición del perfil y delimitación de áreas homogéneas  Ejecución de ensayos de resistencia sobre los suelos predominantes  Determinación del valor de resistencia o de respuesta de diseño para cada área homogénea  Interpretación de fotografías aéreas  Estudios geológicos  Información climática  Se debe adelantar una investigación a lo largo del alineamiento aprobado, con el fin de identificar la extensión y la condición de los diferentes depósitos de suelos que se encuentren.  La investigación se realiza mediante perforaciones a intervalos definidos de acuerdo con la variabilidad del terreno, la longitud y la importancia del proyecto y los recursos técnicos y económicos disponibles.  Las perforaciones deberán alcanzar, cuando menos, 500 mm bajo la cota proyectada de subrasante Caracterización física:  Granulometría  Límites de Aterberg  Humedad natural  Límites de consistencia  Compactación  Resistencia o respuesta ante cargas transitorias  El sistema más apropiado para clasificar los suelos  Para estudio de calles y carreteras es el AASHTO



Las muestras para clasificación y otros ensayos no se deben tomar al azar, sino de acuerdo con el desarrollo del perfil a lo largo de la vía y la secuencia en que se presenten las diferentes capas de suelo

Relaciones de Fases El suelo es un material constituido por el esqueleto de partículas sólidas rodeado por espacios libres (vacíos), en general ocupados por agua y aire. Para poder describir completamente las características de un depósito de suelo es necesario expresar las distintas composiciones de sólido, líquido y aire, en términos de algunas propiedades físicas. En el suelo se distinguen tres fases: 1. Sólida (S): formada por partículas minerales del suelo, incluyendo la capa sólida adsorbida. 2. Líquida (W): generalmente agua (específicamente agua libre), aunque pueden existir otros líquidos de menor significación. 3. Gaseosa (A): comprende sobre todo el aire, si bien pueden estar presentes otros gases, por ejemplo: vapores de sulfuro, anhídridos carbónicos, etc.

CLASIFICACIÓN DE SUELOS Es el ordenamiento de los tipos de suelos, en grupos que tienen propiedades semejantes. El propósito es facilitar las actitudes de un suelo por compactación, con otros de la misma clase cuyas propiedades se conocen. Los sistemas de clasificación de los suelos están divididos en dos sistemas, el AASHTO y SUCS, refiriéndose el primer sistema para suelos cuyo uso esta referido a la construcción de vías y el segundo referido a suelos de cimentación.  Suelos granulares: tienen 35% o menos del material fino que paso por el tamiz Nº 200.  Suelos finos: son suelos limo-arcillosos que contienen más del 35% que pasa por el tamiz Nº 200.

La evaluación de los suelos dentro de cada grupo se hace por medio del índice de grupo:

IG = (F – 35)(0.2 + 0.005 (LL – 40) + 0.01 (F – 15)(IP – 10) Donde: IG: índice de grupo. F: % del suelo que pasa por el tamiz Nº 200 expresado en enteros. LL: limite líquido. IP: índice de plasticidad.

Suelos G = Grava S = Arena M = Limos C = Arcilla O = Orgánico Pt= Turba Gradación W = Bien P = Mal Límite líquido L = Ll50 Tamaño de partícula Gravas: 70 –5 mm (3” –Tamiz #4) Arenas: 5 –0.075 mm (Tamiz #4 -Tamiz #200) Limos: