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MANUAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS PARA BOGOTA D.C.

RESPONSABILIDADES La informacion presentada en este manual ha sido preparada de acuerdo con principios ingenieriles reconocidos. Ninguna de las indicaciones y recomendaciones dadas en este manual debe ser utilizada sin el previo estudio cuidadoso por parte de un Ingeniero Civil con matrícula profesional quien debe ser competente para evaluar el significado y las limitaciones del material presentado y que debe aceptar la responsabilidad de aplicar este material al diseño de un caso específico. El Instituto de Desarrollo Urbano y la Universidad de los Andes no se hacen responsables por la mala e indebida utilización de la información contenida en el presente Manual. Aspectos como la precisión, completitud o conveniencia de aplicar dicha información a un caso particular y otros deben estuciarse específicamente. Adicionalmente ni el Instituto de Desarrollo Urbano, ni la Universidad de los Andes, ni ninguno de sus integrantes o participantes en la realización del presente Manual, podrán ser demandados por cualquier queja, demanda, injuria, pérdida o gastos, que de cualquier manera surjan o estén relacionados con la utilización de la información aquí presentada, aún en el caso que dicho evento resulte directa o indirectamente por cualquier acción y omisión del Instituo de Desarrollo Urbano y/o la Universidad de los Andes o de cualquiera de sus integrantes.

TABLA DE CONTENIDO TÍTULO A. FUNDAMENTOS DEL MÉTODO RACIONAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS A.1 DESCRIPCIÓN FUNCIONAL DE LAS CAPAS DE PAVIMENTO A.1.1 LA CAPA DE CONFORMACIÓN A.1.2 LAS CAPAS DEL CUERPO A.1.3 LAS CAPAS SUPERFICIALES

A.2 FUNCIONAMIENTO DE LAS DIFERENTES FAMILIAS DE PAVIMENTO Y SUS MECANISMOS DE DEGRADACIÓN A.2.1 CAPA DE RODADURA A.2.2 CAPAS DE CUERPO TRATADAS A.2.3 CAPAS DE CUERPO NO TRATADAS Y CAPA SUBRASANTE

A.3 FAMILIAS DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO A.3.1 PAVIMENTOS FLEXIBLES A.3.2 PAVIMENTOS CON CAPAS ASFÁLTICAS GRUESAS A.3.3 PAVIMENTOS CON CAPAS TRATADAS CON LIGANTES HIDRÁULICOS A.3.4 PAVIMENTOS CON ESTRUCTURA MIXTA A.3.5 PAVIMENTOS CON ESTRUCTURA INVERSA A.3.6 PAVIMENTOS EN CONCRETO HIDRÁULICO

A.4 FUNCIONAMIENTO Y MECANISMOS DE DEGRADACIÓN DE LAS DIFERENTES FAMILIAS DE ESTRUCTURAS A.4.1 PAVIMENTOS FLEXIBLES A.4.2 PAVIMENTOS CON CAPAS ASFÁLTICAS GRUESAS A.4.3 PAVIMENTOS CON CAPAS TRATADAS CON LIGANTES HIDRÁULICOS A.4.4 PAVIMENTOS CON ESTRUCTURA MIXTA A.4.5 PAVIMENTOS CON ESTRUCTURA INVERSA A.4.6 PAVIMENTOS EN CONCRETO HIDRÁULICO

A.5 EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL MÉTODO DE DISEÑO RACIONAL DE PAVIMENTOS

A.6 LÍNEAS GENERALES DE LA METODOLOGÍA DE DISEÑO UTILIZADA EN ESTE MANUAL A.6.1 CARÁCTER PROBABILISTICO DEL DISEÑO A.6.2 CONCEPTOS DE VIDA ÚTIL INICIAL Y RIESGO DE CÁLCULO A.6.3 FACTORES CONSIDERADOS EN EL DISEÑO A.6.4 DETERMINACIÓN DE LAS SOLICITACIONES ADMISIBLES A.6.5 RELACIÓN ENTRE SOLICITACIONES ADMISIBLES Y RIESGO CALCULADO A.6.6 COEFICIENTE DE CALIBRACIÓN A.6.7 DEFINICIÓN DE LOS ESPESORES DE LAS CAPAS

TÍTULO B. PLATAFORMA SOPORTE DEL PAVIMENTO B.1 FUNCIONES Y CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN DE LA PLATAFORMA SOPORTE DEL PAVIMENTO B.1.1 CRITERIOS A CORTO PLAZO PARA LA PLATAFORMA SOPORTE DEL PAVIMENTO B.1.2 CRITERIOS ALARGO PLAZO PARA LA PLATAFORMA SOPORTE DEL PAVIMENTO B.1.3 PROCEDIMIENTO DE CLASIFICACIÓN DE LA PLATAFORMA SOPORTE DEL PAVIMENTO

B.2 CARACTERIZACIÓN DE LA SUBRASANTE B.2.1 IDENTIFICACIÓN DE LOS SUELOS PARA LA SUBRASANTE Y LA CAPA DE CONFORMACIÓN B.2.2 AMBIENTE HÍDRICO B . 2. 3 C L A S E S D E C A PA C ID A D P O RTA N T E D E SUBRASANTE B.2.4 CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE LOS SUELOS DE SU B R A S A N T E PA R A E L C Á L C U L O D E OPTIMIZACIÓN DE LA CAPA DE CONFORMACIÓN

B.3 CAPA DE CONFORMACIÓN B.3.1 FUNCIONAMIENTO Y DISEÑO DE LA CAPA DE CONFORMACIÓN B.3.2 MATERIALES PARA LA CAPA DE CONFORMACIÓN

B.4 CLASIFICACIÓN DE LA PLATAFORMA SOPORTE PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO B.4.1 CLASES DE PLATAFORMA SOPORTE

B.4.2 NATURALEZA Y ESPESORES DE LA CAPA DE CONFORMACIÓN B.4.3 CAPA DE CONFORMACIÓN EN MATERIAL NO TRATADO B.4.4 CAPA DE CONFORMACIÓN EN SUELOS ARCILLOSOS O LIMOSOS TRATADOS EN EL SITIO B.4.5 CAPA DE CONFORMACIÓN EN MATERIALES G R A N U L A R E S T R ATA D O S C O N L I G A N T E S HIDRÁULICOS B.4.6 OPTIMIZACIÓN DE LA CAPA DE CONFORMACIÓN B.4.7 METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO GLOBAL PAVIMENTO-CAPA DE CONFORMACIÓN B.4.8 DISEÑO DE CAPAS DE CONFORMACIÓN EN MATERIALES TRATADOS QUE HAGAN PARTE DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO

TÍTULO C. MÉTODO RACIONAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS C.1 VARIABLES QUE INTERVIENEN EN EL MÉTODO RACIONAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS C.1.1 EL TRÁFICO C.1.2 DISPERSIÓN Y PROBABILIDAD DE FALLA C.1.3 DATOS CLIMÁTICOS Y DEL AMBIENTE C.1.4 CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS QUE INTERVIENEN EN EL DISEÑO RACIONAL DE PAVIMENTOS

C.2 METODOLOGÍA DE DISEÑO

C.3 DISEÑO PARA LAS DIFERENTES FAMILIAS DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS C.3.1 PAVIMENTOS FLEXIBLES Y PAVIMENTOS CON CAPAS ASFALTICAS GRUESAS

C.3.2 PAVIMENTOS CON CAPAS TRATADAS CON LIGANTES HIDRÁULICOS C.3.3 PAVIMENTOS CON ESTRUCTURA MIXTA C.3.4 PAVIMENTOS CON ESTRUCTURA INVERSA

TÍTULO D. MATERIALES PARA PAVIMENTOS D.1 INTRODUCCIÓN

D.2 MATERIALES BÁSICOS D.2.1 LIGANTES HIDRÁULICOS Y PUZOLÁNICOS D.2.2 LIGANTES ASFÁLTICOS D.2.3 MATERIALES GRANULARES D.2.4 OTROS MATERIALES

D.3 GRANULARES NO TRATADOS (Gnt) D.3.1 CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS PARA EL DISEÑO

D.4 MATERIALES GRANULARES TRATADOS CON LIGANTES HIDRÁULICOS D.4.1 ELEMENTOS COMUNES PARA EL DISEÑO DE CAPAS DE PAVIMENTO CON MATERIALES GRANULARES TRATADOS CON LIGANTES HIDRÁULICOS D.4.2 GRANULARES TRATADOS CON LIGANTES HIDRÁULICOS Y PUZOLÁNICOS Y CONCRETOS COMPACTADOS

D.5 MATERIALES TRATADOS CON LIGANTES ASFÁLTICOS D.5.1 GENERALIDADES Y CARACTERÍSTICAS PARA EL DISEÑO D.5.2 GRANULARES ASFÁLTICOS

MECÁNICAS

D.5.3 MEZCLAS ASFÁLTICAS PARA CAPAS DE RODADURA D.5.4 ARENAS ASFÁLTICAS D.5.6 MEZCLAS RECICLADAS EN CALIENTE

D.6 MATERIALES GRANULARES EMULSIÓN ASFÁLTICA (GEM)

D.7 CONCRETOS HIDRÁULICOS

INTRODUCCIÓN

1 CAMPO DE APLICACIÓN DEL MÉTODO

2 ORGANIZACIÓN GENERAL DEL MANUAL 2.1 INTRODUCCIÓN 2.2 TÍTULO A: FUNDAMENTOS DE LA METODOLOGÍA DE DISEÑO RACIONAL DE PAVIMENTOS 2.3 TÍTULO B: LA PLATAFORMA SOPORTE DEL PAVIMENTO 2.4 TÍTULO C: MÉTODO DE DISEÑO RACIONAL DE PAVIMENTOS 2.5 PARTE D: MATERIALES ANEXO 1: Ejemplo de diseño de capas de conformación ANEXO 2: Ejemplo de cálculo del coeficiente de agresividad media CAM

1 CAMPO DE APLICACIÓN DEL MÉTODO

E

l presente documento expone los fundamentos de la metodología racional de diseño de estructuras de pavimento. De esta manera se propone un marco de referencia común que permite diseñar diferentes tipos de estructura de pavimento rígido o flexible según los requerimientos particulares de cada vía. Los principios que se exponen en este documento se refieren al diseño de estructuras de pavimento. El método de dimensionamiento utilizado se aplica a diferentes categorías de vías, desde vías de bajo tráfico hasta autopistas de alto tráfico. Los aspectos propios a las cargas de pistas para aeropeuertos o plataformas industriales no se tratan en este manual. Sin embargo, la metodología racional permite en ciertos casos establecer reglas de diseño que se adapten a ciertas condiciones particulares. El documento explica el procedimiento de diseño tendiente a establecer los espesores de las diferentes capas de pavimento en función de los objetivos de servicio, del tráfico y de las condiciones ambientales. Se precisa también las condiciones físicas y mecánicas de los materiales para los diferentes tipos de pavimento.

2 ORGANIZACIÓN GENERAL DEL MANUAL El manual está organizado en 4 títulos: 2.1 TÍTULO A: FUNDAMENTOS DE LA METODOLOGÍA DE DISEÑO RACIONAL DE PAVIMENTOS La primera parte presenta el marco de referencia dentro del cual se inscribe la metodología de diseño de la estructura de pavimento. Se describen las diferentes familias de estructuras de pavimento que podrían utilizarse en la ciudad de Santa Fé de Bogotá así como su

modo de funcionamiento mecánico y sus características de degradación más frecuentes. Se presenta también una breve historia de la evolución de la metodología racional de diseño de pavimentos. Posteriormente se exponen las grandes líneas y los conceptos que soportan la metodología racional de diseño de pavimentos. Se presenta el carácter probabilístico del método y la noción de riesgo de cálculo. Finalmente se enumeran los factores que se deben tener en cuenta durante el diseño. 2.2 TÍTULO PAVIMENTO

B:

LA

PLATAFORMA

SOPORTE

DEL

En este título se describen las diferentes funciones de la plataforma soporte del pavimento. Se describen los requerimientos de capacidad portante de la plataforma a corto y largo plazo. También se describe la metodología para escoger los espesores de la capa de conformación en materiales no tratados o tratados con ligantes hidráulicos. 2.3 TÍTULO C: MATERIALES Para los diferentes materiales se presenta: · Una descripción física y mecánicas de los diversos tipos de materiales de referencia sobre los cuales está basada la metodología de diseño. · Los parámetros básicos utilizados en el diseño y la metodología para su determinación a partir de los valores de ensayos mecánicos clásicos. 2.3 TÍTULO D: MÉTODO RACIONAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS En esta parte se presentan los principales aspectos de la metodología racional de diseño de pavimentos. En seguida se examinan los parámetros que se requieren para el dimensionamiento de la estructura de pavimento tales como:

· Los parámetros de base ligados a la escogencia de una estrategia de gestión de la vía: vida útil y riesgo de cálculo · Los datos climáticos y ambientales · Los parámetros descriptivos del material. Se exponen además los principios generales y la articulación de la metodología de diseño, válidos para las diferentes tipos de pavimento y para cada uno de ellos se expone: · La modelación necesaria para describir la estructura · Los criterios de diseño · Las etapas que se deben seguir durante el diseño El conjunto se ilustra con un ejemplo de cálculo completo. Se presentan también las disposiciones constructivas particulares, esenciales para el mantenimiento de la integridad de la estructura cuando éstas no están explícitamente incluídas en el cálculo.

TÍTULO A: FUNDAMENTOS DEL MÉTODO RACIONAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

A.1 DESCRIPCIÓN FUNCIONAL DE LAS CAPAS DE PAVIMENTO A.1.1 LA CAPA DE CONFORMACIÓN A.1.2 LAS CAPAS DEL CUERPO A.1.3 LAS CAPAS SUPERFICIALES

A.2 FUNCIONAMIENTO DE LAS DIFERENTES FAMILIAS DE PAVIMENTO Y SUS MECANISMOS DE DEGRADACIÓN A.2.1 CAPA DE RODADURA A.2.2 CAPAS DE CUERPO TRATADAS A.2.3 CAPAS DE CUERPO NO TRATADAS Y CAPA SUBRASANTE

A.3 FAMILIAS DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO A.3.1 PAVIMENTOS FLEXIBLES A.3.2 PAVIMENTOS CON CAPAS ASFÁLTICAS GRUESAS A.3.3 PAVIMENTOS CON CAPAS TRATADAS CON LIGANTES HIDRÁULICOS A.3.4 PAVIMENTOS CON ESTRUCTURA MIXTA A.3.5 PAVIMENTOS CON ESTRUCTURA INVERSA A.3.6 PAVIMENTOS EN CONCRETO HIDRÁULICO

A.4 FUNCIONAMIENTO Y MECANISMOS DE DEGRADACIÓN DE LAS DIFERENTES FAMILIAS DE ESTRUCTURAS A.4.1 PAVIMENTOS FLEXIBLES A.4.2 PAVIMENTOS CON CAPAS ASFÁLTICAS GRUESAS A.4.3 PAVIMENTOS CON CAPAS TRATADAS CON LIGANTES HIDRÁULICOS A.4.4 PAVIMENTOS CON ESTRUCTURA MIXTA A.4.5 PAVIMENTOS CON ESTRUCTURA INVERSA A.4.6 PAVIMENTOS EN CONCRETO HIDRÁULICO

A.5 EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL MÉTODO DE DISEÑO RACIONAL DE PAVIMENTOS

A.6 LÍNEAS GENERALES DE LA METODOLOGÍA DE DISEÑO UTILIZADA EN ESTE MANUAL A.6.1 CARÁCTER PROBABILISTICO DEL DISEÑO A.6.2 CONCEPTOS DE VIDA ÚTIL INICIAL Y RIESGO DE CÁLCULO A.6.3 FACTORES CONSIDERADOS EN EL DISEÑO A.6.4 DETERMINACIÓN DE LAS SOLICITACIONES ADMISIBLES A.6.5 RELACIÓN ENTRE SOLICITACIONES ADMISIBLES Y RIESGO CALCULADO A.6.6 COEFICIENTE DE CALIBRACIÓN A.6.7 DEFINICIÓN DE LOS ESPESORES DE LAS CAPAS

A.1 DESCRIPCIÓN FUNCIONAL DE LAS CAPAS DE PAVIMENTO

os pavimentos se presentan como una estructura multicapa (Fig A.1) colocada sobre la plataforma de soporte del pavimento. Esta plataforma está constituida por el suelo de subrasante y una eventual capa de conformación.

L

A.1.1

LA

CAPA

DE

CONFORMACION A.1.1 LA CAPA DE CONFORMACION Esta capa que sirve de transición entre el suelo de subrasante y la estructura de pavimento tiene una doble función: • Proteger a la subrasante durante la fase de construcción de tal forma que pueda circular la maquinaria que suministra los materiales para la construcción de las diferentes capas del pavimento • Mejorar las características del suelo de subrasante en cuanto a dispersión y calidad; su utilización es indispensable en suelos cuyo CBR < 5 para asegurar que el pavimento reposa sobre una plataforma compatible con los esfuerzos producidos por las cargas rodantes. A.1.2 LAS CAPAS DE CUERPO El cuerpo del pavimento está formado generalmente por dos capas, la capa de sub-base y la capa de base. Estas capas están constituidas

por material seleccionado y confieren a la estructura de pavimento la resistencia mecánica necesaria para soportar las cargas inducidas por los vehículos. Estas capas reparten el esfuerzo sobre la subrasante de tal manera que las deformaciones a este nivel permanezcan dentro de límites admisibles. Para las vías de bajo tráfico el papel que desempeña la capa de sub-base puede remplazarse, en ciertos casos, por un tratamiento del suelo de la subrasante. A.1.3 LAS CAPAS SUPERFICIALES Las capas superficiales están constituidas por: • La capa de rodadura que es la capa superior de la estructura del pavimento sobre la cual se ejercen directamente la agresión combinada del tráfico y del clima. • Capa de liga entre la capa de rodadura y las capas del cuerpo (puede eliminarse en algunos diseños). En la capa de transición entre las capas superficiales y la capa de base se colocarán los eventuales dispositivos destinados a evitar el calcado de fisuras que se puedan producir en las capas del cuerpo tratadas con ligantes hidráulicos tales como el cemento. De las características de la capa de rodadura depende en gran parte la calidad del pavimento. Las capas superficiales contribuyen además a proteger el cuerpo del pavimento de la infiltración del agua y dar confort al usuario.

A.2 FUNCIONAMIENTO DE LAS DIFERENTES FAMILIAS DE PAVIMENTO Y SU MECANISMO DE DEGRADACIÓN Los pavimentos se degradan debido al efecto combinado de la repetición de cargas rodantes (tráfico), de los agentes climáticos y del tiempo. El conocimiento de la naturaleza de la degradación y de sus mecanismos de evolución es de vital importancia para:

• Comprender el modo de funcionamiento de las estructuras de pavimento. • Escoger el modelo de cálculo que mejor se adapte a la estructura de pavimento. • Ajustar los resultados de los cálculos en lo referente a los aspectos que no se tengan en cuenta en el modelo de cálculo adoptado. Las degradaciones más corrientes que se pueden encontrar en las diferentes capas son las que se describen a continuación: A.2.1 CAPA DE RODADURA • Desgaste debido a los esfuerzos de fricción tangenciales generados por las cargas rodantes. • Ahuellamiento por flujo viscoso en condiciones de alta temperatura y tráfico. • Fisuración por fatiga debida a la mala adherencia de la capa de rodadura al cuerpo del pavimento. • Fisuración por calcado de fisuras de las capas del cuerpo del pavimento. • Fisuración por fatiga térmica debida al envejecimiento del asfalto.

A.2.2 CAPAS DE CUERPO TRATADAS • Fisuración por fatiga debida a la repetición de los esfuerzos de tensión por flexión generados durante el paso de las cargas rodantes. • Fisuración por retracción térmica de los granulares tratados con ligantes hidráulicos. • Fisuración debida a los gradientes térmicos en las losas de concreto. • Bombeo y desfase de las losas en las capas que presenten fisuras de retracción o en las juntas, debido a una mala transferencia de cargas entre las losas y a la erodabilidad del suelo de soporte.

A.2.3 CAPAS DE CUERPO NO TRATADAS Y CAPA DE SUBRASANTE • Deformaciones permanentes de la estructura (hundimiento, ahuellamiento,…) debidos a la acumulación de deformaciones plásticas. Además de lo anterior, cada tipo de estructura de pavimento tiene asociados algunos problemas preponderantes derivados de modos de funcionamiento particulares.

A.3 FAMILIAS DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO Las diferentes familias de estructuras de pavimento se presentan en la Figura A.2. A continuación se hace una breve descripción de cada una de ellas. A.3.1 PAVIMENTOS FLEXIBLES Estas estructuras están constituidas por una cobertura en material asfáltico relativamente delgada (inferior a 10 cm). Frecuentemente cuando se trata de vías de bajo tráfico esta cobertura se reduce a un tratamiento superficial doble colocado directamente sobre las capas de materiales no tratados. El espesor global del pavimento esta comprendido generalmente entre 30 y 100 cm. A.3.2 PAVIMENTOS CON CAPAS ASFÁLTICAS GRUESAS Estas estructuras están compuestas de una capa de rodadura en material asfáltico cuyo espesor varía entre 6 y 15 cm que reposa sobre el cuerpo del pavimento. Las capas de cuerpo están constituidas por materiales tratados con ligantes asfálticos en una o dos capas (base y sub-base). El espesor del conjunto de capas de cuerpo varía entre 15 y 40 cm.

A.3.3 PAVIMENTOS CON CAPAS TRATADAS CON LIGANTES HIDRÁULICOS Estas estructuras se denominan generalmente estructuras semi rígidas. Están compuestas por una capa de rodadura en material asfáltico cuyo espesor varía entre 6 y 15 cm. Esta capa reposa sobre un cuerpo de pavimento en materiales tratados con ligantes hidráulicos colocados en una o dos capas (base y sub-base). El espesor del conjunto de capas de base y sub-base varía entre 20 y 50 cm. A.3.4 PAVIMENTOS CON ESTRUCTURA MIXTA Estas estructuras tienen una capa de rodadura cuyo espesor varía entre 6 y 15 cm y una capa de base en material asfáltico (espesor de la base de 10 a 20 cm). La capa de base reposa sobre una capa de sub-base en materiales tratados con ligantes hidráulicos (20 a 40 cm). Las estructuras mixtas tienen una relación entre el espesor de los materiales asfálticos y el espesor total alrededor de ½. A.3.5 PAVIMENTOS CON ESTRUCTURA INVERSA Estas estructuras están formadas por capas en material asfáltico de aproximadamente quince centímetros de espesor total. Esta capa reposa sobre una capa en material no tratado (alrededor de 12 cm) la cual a su vez reposa sobre una capa de sub-base construida con materiales tratados con ligantes hidráulicos con espesores entre 15 y 50 cm. El espesor total varía entre 60 y 80 cm. A.3.6 PAVIMENTOS EN CONCRETO HIDRÁULICO Estas estructuras tienen una capa de concreto hidráulico de 15 a 40 cm de espesor que eventualmente puede estar cubierta por una capa delgada de material asfáltico. La capa de concreto reposa sobre una capa de sub-base que puede estar constituida por materiales tratados con ligantes hidráulicos, en concreto hidráulico o en material drenante no tratado. También se puede colocar directamente sobre la subrasante, en cuyo caso se interpone frecuentemente una capa en material asfáltico. La losa de concreto puede construirse con un

refuerzo longitudinal continuo (concreto armado) o discontínuo con o sin elementos de transmisión de esfuerzos en las juntas (pasadores).

A.4 FUNCIONAMIENTO Y MECANISMOS DE DEGRADACIÓN DE LAS DIFERENTES FAMILIAS DE ESTRUCTURAS Este capítulo está dedicado a los mecanismos de degradación más frecuentes que presentan las diferentes familias de estructuras. Se excluyen los casos en los que es evidente una mala calidad del material o errores en la fabricación o colocación de las capas. A.4.1 PAVIMENTOS FLEXIBLES Solicitaciones Debidas al Tráfico Los materiales granulares no ligados (sin cementante) que constituyen el cuerpo del pavimento tienen una baja rigidez la cual depende del suelo de subrasante y de su espesor. Puesto que el espesor de material asfáltico es relativamente delgado, los esfuerzos verticales producidos por el tráfico se transmiten al suelo de subrasante con una baja disipación lateral. Debido a la repetición de las cargas los esfuerzos verticales elevados generan una acumulación de deformaciones plásticas del suelo de subrasante y de las capas granulares que repercuten en deformaciones permanentes en la superficie del pavimento. A su vez, la cobertura en material asfáltico está sometido a eventuales daños durante el paso de las cargas debido a la presencia de esfuerzos de tensión por flexión en la base de la capa. Influencia de las Condiciones Climáticas La baja rigidez de la estructura le confiere a este tipo de pavimento una alta sensibilidad a la variación del estado hídrico del suelo de subrasante y de las capas granulares. Esto se manifiesta principalmente por los efectos de borde: reducción de la capacidad portante en temporada húmeda que puede conducir a asentamientos del borde y fisuración por retracción hídrica en período seco.

La reducción de capacidad portante asociada a las variaciones del estado hídrico de suelos de subrasante sensibles al agua es más marcada a medida que la impermeabilidad de la capa superficial es baja. Este fenómeno se presenta para todo tipo de estructuras y por consiguiente su influencia se da por descontada y no se mencionará en cada caso particular. Mecanismos de Degradación La degradación más frecuente en los pavimentos flexibles se manifiesta en primer lugar por la aparición de deformaciones permanentes del tipo ahuellamiento de gran radio, hundimientos y asentamientos que deterioran la calidad del perfil transversal y longitudinal de la vía. Estas deformaciones aumentan con la acumulación de repeticiones de carga en magnitud (amplitud ver ti cal) y en extensión, dependiendo de la calidad promedio de la estructura de pavimento y de la dispersión de las características mecánicas del cuerpo del pavimento y del suelo de subrasante. Las solicitaciones de flexión alternada que se presentan en la capa de rodadura generan una degradación por fatiga, la cual se manifiesta por la presencia de fisuras que inicialmente son aisladas pero que evolucionan poco a poco hasta llegar a formar un mallado de pequeñas dimensiones, llamado comúnmente “piel de cocodrilo”. La generación de fisuras facilita la infiltración del agua que acelera los fenómenos de degradación: resquebrajamiento en los bordes de las fisuras con salida de material, luego formación de huecos u ojo de pescado. Si en este momento el pavimento no se repara convenientemente evolucionará hasta la destrucción total. A.4.2 PAVIMENTOS CON CAPAS ASFÁLTICAS GRUESAS Solicitaciones Debidas al Tráfico La rigidez y la resistencia a la tensión de las capas construidas con materiales asfálticos permiten que los esfuerzos verticales se repartan en el sentido horizontal y en consecuencia el esfuerzo vertical en la subrasante disminuye. En contraposición, los esfuerzos inducidos

por las cargas rodantes producen esfuerzos de tensión en la base de las capas asfálticas. Generalmente este tipo de pavimentos tiene varias capas. Cuando éstas están ligadas, las deformaciones máximas se presentan en la base de la capa más profunda. Por el contrario si la liga no es perfecta, cada una de las capas estará solicitada en flexión alternada y se podrán romper por fatiga. Como puede verse, la calidad de la liga tiene una gran influencia en el comportamiento del pavimento. En lo que respecta a los esfuerzos en el suelo de subrasante, su magnitud generalmente es baja de tal suerte que no tiende a producirse deformaciones permanentes en superficie antes de que se presente la rotura por fatiga de las capas asfálticas ligadas. Influencia de las Condiciones Climáticas Su influencia es similar a la que se presenta en los pavimentos flexibles. El ahuellamiento por flujo viscoso se agrava cuando se presentan temperaturas altas y flujo lento de los vehículos pero en este caso solo se afecta la capa mas superficial. Este fenómeno se debe principalmente a la mala escogencia de los materiales y una dosificación del ligante deficiente. Mecanismos de Degradación Si no hay mantenimiento adecuado la degradación de los pavimentos en capas asfálticas gruesas progresa hasta su ruina total siguiendo el proceso que a continuación se describe. Debido a que el comportamiento del pavimento está controlado en general por la fatiga, la aparición de fisuras longitudinales de fatiga en la dirección de la huella de los vehículos se presenta con posterioridad a la aparición de degradaciones superficiales. Una vez que se generan las fisuras longitudinales estas se transforman progresivamente generando un mallado cuyo espaciamiento entre fisuras se reduce poco a poco. Esta transformación comienza en las zonas de menor calidad (baja capacidad portante de la subrasante, características de las capas o zonas de liga defectuosa).

La degradación de las fisuras acelera el proceso debido a la infiltración de agua través del cuerpo del pavimento. Esto a su vez aumenta el desgaste de las caras de las fisuras, comienza el deterioro del material y se forman huecos. En este momento el funcionamiento de las capas ligadas cambia fundamentalmente y los bloques separados que se forman reaccionan independientemente ante la aplicación de cargas. A.4.3 PAVIMENTOS CON CAPAS TRATADAS CON LIGANTES HIDRÁULICOS Solicitaciones Debidas al Tráfico Teniendo en cuenta la rigidez de los materiales tratados con ligantes hidráulicos, los esfuerzos verticales transmitidos al soporte del pavimento son bajos. En cambio, las capas tratadas soportan o disipan en su estructura cargas de flexión alternada que tienen gran importancia en el diseño del pavimento. Estas estructuras generalmente tienen una capa de base y una de sub-base. Cuando la adherencia entre estas capas es suficiente para asegurar la continuidad de los desplazamientos relativos en la interface, los esfuerzos máximos se presentan en la parte inferior de la capa de sub-base. En caso contrario, o sea cuando se produce un deslizamiento entre las capas, existirá un esfuerzo de flexión alternado en la base de cada una de ellas. La interface entre la capa de rodadura y la capa de base también es una zona crítica ya que por un lado está sometida a esfuerzos normales y de corte en el sentido horizontal, y además los centímetros superiores de la capa de base generalmente tienen una menor resistencia. Influencia de las Condiciones Climáticas Las capas tratadas con ligantes hidráulicos están sometidas a retracción originada por el fraguado del material. La retracción, a la cual se opone la fricción entre la capa tratada y el suelo de subrasante, produce una fisuración transversal. Si no se adoptan disposiciones constructivas particulares, estas fisuras progresan hasta la capa de

rodadura. Las fisuras que se calcan en la superficie aparecen con un espaciamiento relativamente regular (5 a 15 m). Su abertura depende de la temperatura y oscila entre algunas décimas de milímetro hasta algunos milímetros. Generalmente las fisuras son individuales en el momento de su aparición pero posteriormente se ramifican debido al tráfico. Desde el punto de vista mecánico, estas discontinuidades generan un aumento del esfuerzo de tensión por flexión con respecto al que se obtiene en un medio contínuo. Este aumento de esfuerzos es inversamente proporcional a la calidad de la transferencia de carga entre los bordes de la fisura. Además, si esta transferencia es mala, el esfuerzo vertical aplicado sobre el suelo de subrasante aumenta considerablemente. La fisuración por retracción facilita la penetración del agua, lo cual tiene dos consecuencias principales: • En las interfaces, esta influencia se manifiesta por la disminución de la calidad de la liga y de la parte superior de la base. Además se presenta un aumento de los esfuerzos de tensión en la base de las capas tratadas y una modificación de las condiciones de apoyo sobre el suelo de subrasante. • Con respecto a la calidad de la transferencia de carga entre las caras de las fisuras, la influencia de la infiltración se manifiesta por un aumento del desgaste, lo cual genera un aumento de los esfuerzos de tensión en la base de las capas tratadas y un aumento del esfuerzo vertical en el suelo de subrasante.

Mecanismos de Degradación Cuando la estructura de pavimento se construye con una capa de rodadura de mala calidad (espesor insuficiente, inferior a 5 cm, y permeable) y además con mala calidad de las capas tratadas (baja compactación e insuficiente riego de curado) el pavimento se degrada rápidamente. Esta degradación se origina por la alta penetración de agua (a través de las fisuras de retracción térmica o en las zonas de capa de rodadura permeable) y se manifiesta por la aparición en superficie durante los períodos de lluvia de material saturado. Esta degradación progresa rápidamente hasta la formación de ojos de pescado.

Para evitar estos problemas es conveniente prestar mucha atención a la calidad de la superficie de la base tratada, aumentar el espesor de la cobertura asfáltica e impermeabilizar las fisuras de retracción apenas aparezcan. Además de lo anterior, actualmente existen diferentes disposiciones constructivas tendientes a controlar la fisuración por retracción (prefisuración de las capas tratadas) y para limitar o retardar la aparición de fisuras en la capa de rodadura (capas anti fisuras). En la última etapa de la vida útil de la estructura pueden aparecer fisuras longitudinales de fatiga a lo largo de la huella de los vehículos. Esta degradación conduce a la formación de losas independientes entre las fisuras de retracción, con la presencia even tual de movimientos relativos debidos a la alteración de las condiciones de apoyo. En esta etapa el funcionamiento del pavimento se altera profundamente ya que la estructura pasa a estar formada por un conjunto de elementos discontínuos. En la práctica no se debe dejar evolucionar la degradación hasta esta etapa y se debe iniciar la reparación estructural del pavimento desde la aparición de las primeras fisuras de fatiga. A.4.4 PAVIMENTOS CON ESTRUCTURA MIXTA Las diferentes capas de las estructuras mixtas tienen una función específica. La capa de material tratado con ligantes hidráulicos cumple con el oficio de sub-base y su función, considerando su gran rigidez, es disipar los esfuerzos verticales que se transmiten al suelo de subrasante. Esta capa constituye además un soporte de baja deformabilidad para las capas asfálticas superiores. Las capas asfálticas, de las cuales una está conformada generalmente por granular asfáltico, cumplen con varios oficios. En primer lugar estas capas permiten la buena continuidad del pavimento. Además tienen la función de atenuar la aparición en superficie de las fisuras transversales de retracción que se originan en la capa tratada con ligantes hidráulicos, lo cual es posible gracias a su espesor.

Solicitaciones Debidas al Tráfico En una primera fase, las diferentes capas permanecen adheridas. En esta etapa, las capas asfálticas están sometidas en la base a esfuerzos de tensión de baja magnitud, a excepción de las zonas próximas a las fisuras de retracción de las capas tratadas con ligantes hidráulicos. Por el contrario, las capas tratadas con ligantes hidráulicos están fuertemente solicitadas con esfuerzos de flexión alternada. Debido a los movimientos de dilatación diferencial entre la base asfáltica y la capa tratada con ligantes hidráulicos y a las solicitaciones del tráfico, la adherencia entre capas puede degradarse en ciertas zonas. Esto ocasiona un fuerte aumento de los esfuerzos de tensión en la base de la grava asfáltica la cual a su vez puede fatigarse. Influencia de las Condiciones Climáticas En la capa tratada con ligantes hidráulicos se presenta dilatación y contracción térmica. Sin embargo, las capas asfálticas ayudan a atenuar el gradiente térmico entre el día y la noche. Los gradientes térmicos altos contribuyen a la propagación de fisuras a través de las capas asfálticas. Mecanismos de Degradación Estas estructuras presentan generalmente un buen comportamiento, la fisuración es más bien escasa y solamente se presenta en climas con gradientes térmicos importantes. Las fisuras transversales que puedan aparecer en las capas asfálticas deben ser impermeabilizadas para evitar la infiltración de agua que ocasiona el deterioro. Cuando el espesor de la capa tratada con ligantes hidráulicos es insuficiente y existen suelos de baja capacidad portante se producen hundimientos por bloques de zonas de la estructura que llevan a fisurar la capa asfáltica. A.4.5 PAVIMENTOS CON ESTRUCTURA INVERSA Los pavimentos con estructura inversa están compuestos por tres capas que tienen funciones específicas.

La capa de sub-base está constituida por un material tratado con ligantes hidráulicos, la cual tiene por objeto atenuar los esfuerzos en el suelo de subrasante y proporcionar a las capas superiores un soporte de baja deformabilidad. La capa granular, relativamente deformable en el sentido horizontal, tiene como función evitar la propagación de las fisuras originadas por los fenómenos de retracción y por movimientos de origen térmico de la capa de materiales tratados con ligantes hidráulicos. La cobertura en materiales asfálticos sirve para asegurar la continuidad y la impermeabilidad del pavimento. Solicitaciones Debidas al Tráfico La capa tratada con ligantes hidráulicos asegura en gran medida la rigidez a flexión de la estructura. La capa asfáltica trabaja generalmente en flexión alternada y la amplitud de las deformaciones es función del espesor y de la rigidez del soporte granular. La capa granular, de poco espesor, está confinada por las dos capas tratadas. Ella reposa sobre un soporte rígido y está sometida a esfuerzos relativamente elevados. El material recomendado para esta capa es un triturado escogido de tal manera que pueda resistir al desgaste y que tenga un módulo elevado de tal forma que limite las deformaciones en la base de la capa asfáltica. El espesor de la capa granular oscila alrededor de 12 cm de tal forma que se pueda lograr una elevada densidad. Influencia de las Condiciones Climáticas Al igual que para los otros tipos de estructuras construidas con materiales tratados con ligantes hidráulicos, los efectos térmicos tienen influencia en el desarrollo de la fisuración y en la deformabilidad de las capas asfálticas.

Mecanismos de Degradación Este tipo de estructura es de utilización reciente. Los ensayos realizados en carruseles de fatiga en el Laboratoire Centrale des Ponts et Chaussées de Francia han puesto en evidencia los siguientes modos de degradación potencial: un ligero ahuellamiento atribuible a la capa granular y una fisuración transversal por fatiga de las capas asfálticas causal aparece luego de un gran número de repeticiones de carga. Esta fisuración no coincide con las fisuras de retracción de la capa tratada con ligantes hidráulicos lo cual demuestra la eficacia de la capa granular. En el caso de construcción de mala calidad es posible observar un rápido deterioro del pavimento ocasionado por la infiltración y acumulación de agua en la capa granular. A.4.6 PAVIMENTOS EN CONCRETO HIDRÁULICO Solicitaciones Debidas al Tráfico Debido al alto módulo de elasticidad del concreto hidráulico, los esfuerzos inducidos por el tráfico son fundamentalmente absorbidos por flexión de la capa de concreto y los esfuerzos de compresión que se transmiten al suelo son relativamente bajos. Al igual que para los pavimentos construidos con capas tratadas con materiales hidráulicos, los esfuerzos preponderantes son los de tensión por flexión en la parte inferior de la capa. Durante el fraguado y debido a los esfuerzos térmicos, el concreto presenta fases de retracción. La fisuración correspondiente generalmente se controla satisfactoriamente, ya sea por la realización de juntas transversales, o por la colocación de acero de refuerzo destinado a repartir por adherencia las deformaciones de retracción, generando numerosas fisuras finas en lugar de agrietamientos concentrados visibles. El aumento de los esfuerzos transversales generados por el tráfico en los bordes de las losas aumenta a medida que la calidad de la transferencia de cargas en los bordes de las losas es baja. Puesto que las fisuras son de pequeñas dimensiones cuando se utiliza concreto armado continuo, este tipo de pavimento se puede considerar como continuo. Para las estructuras con pasadores, la transferencia de carga

se asegura mediante elementos de acero colocados a través de las juntas transversales. Influencia de las Condiciones Climáticas En este tipo de estructuras, las solicitaciones creadas por las variaciones de las condiciones climáticas pueden ser muy superiores a las generadas por el tráfico. Sin embargo la fatiga del pavimento se produce por la combinación de cargas rodantes y gradiente térmico. Las variaciones diarias de la temperatura ambiente generan gradientes térmicos en las losas. Este gradiente ocasiona una deformación de la losa que degrada la calidad del suelo de apoyo e incrementa el efecto del tráfico de manera progresiva. Mecanismos de Degradación Uno de los dos principales mecanismos de degradación en los pavimentos clásicos de concreto construidos mediante losas discontinuas es la fisuración creada por los esfuerzos de tensión por flexión. Esta degradación se manifiesta por la aparición de fisuras transversales y fallas en las esquinas de las losas. El segundo mecanismo de degradación principal se debe a la modificación de las condiciones de apoyo en vecindades de las juntas y las fisuras. Esta modificación da lugar a que se presenten fenómenos de bombeo. La degradación del suelo de apoyo se debe principalmente a la presencia de agua en la interface losa - capa de sub-base o subrasante y a los efectos combinados de: • Erodabilidad del suelo de subrasante. • Cargas cíclicas producidas por el tráfico. • Baja transferencia de carga entre las losas lo cual se traduce en una asimetría de esfuerzos y en desplazamientos diferenciales a cada lado de la discontinuidad. La utilización de materiales poco erosionables en la capa de sub-base y un conveniente drenaje permiten limitar la aparición del fenómeno del bombeo.

El mecanismo de degradación de los pavimentos construidos con concreto reforzado continuo (sin juntas transversales) no se conoce con precisión. Debido a la fisuración, se puede pensar que el mecanismo de degradación es similar a los otros tipos de estructura, sin em bargo estas fisuras poseen buenas características de transferencia de carga debido a su pequeña dimensión y a la presencia del acero.

A.5 EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL MÉTODO DE DISEÑO RACIONAL DE PAVIMENTOS En este capítulo se hace un breve recuento histórico del método racional de diseño de pavimentos que es el que se adopta en el presente manual. La evolución de una metodología de diseño de pavimentos debe estar siempre ligada con dos factores preponderantes: • La evolución de los materiales para pavimento y el desarrollo de nuevas técnicas constructivas. • La evolución de la magnitud de las cargas rodantes y de la velocidad de los vehículos (en ciertos países Europeos se adoptó desde 1945 una carga por eje de 13 toneladas). Hasta 1950 el diseño de pavimentos flexibles se fundamentaba en procedimientos empíricos basados en analogías con pavimentos construidos con anterioridad. Para los pavimentos construidos con materiales no ligados se utilizaba el método del CBR desarrollado por PORTER en los Estados Unidos a partir de correlaciones entre el tipo de suelo, el tráfico y el espesor (1929). Este método se complementó en 1930 con el ensayo de punzonamiento bien conocido. Para las estructuras en concreto hidráulico el diseño se basaba en los métodos desarrollados por WESTERGARD en 1927 para las losas de concreto. Los trabajos teóricos de BURMISTER (1943) sobre el cálculo de los esfuerzos y deformaciones en un macizo multicapa elástico semi-infinito con carga circular, los de IVANOV en URSS y de MAC

LEOD en Canadá abrieron la posibilidad para el desarrollo de procedimientos de diseño basados en principios de la mecánica de los materiales. Algunos países Europeos comenzaron a partir de la segunda guerra mundial a implementar estas teorías mecanicistas. Es así como en Francia en 1948 DE L’HORTE presentó una explicación racional del comportamiento de pavimentos que explicaba los conceptos de CBR con base en la teoría de BOUSSINESQ. En 1959, JEUFROY y BACHELLEZ publicaron una serie de ábacos que explicaban el funcionamiento de estructuras de pavimento tricapa utilizando una metodología similar a la de BURMISTER. La experimentación llevada a cabo en los Estados Unidos en los años 50 (ensayo HRB de Maryland en 1949, ensayo WASHO en IDAHO en 1953-54 y AASHO de 1955-61) aportaron bases importantes para cuantificar el efecto del tráfico y su acumulación. Estos ensayos condujeron a una metodología empírica que se situaría en oposición a los desarrollos de la metodología racional. Paralelamente el aumento de las cargas producidas por el tráfico condujo al desarrollo de materiales ligados (tratados con cemento o cal) con los cuales se podían obtener alta rigidez y resistencia, y materiales asfálticos de alta calidad. Era claro que con la metodología empírica era difícil entender la contribución de cada uno de los parámetros de comportamiento de estos materiales en el funcionamiento global de la estructura de pavimento. Esta fue una de las principales razones que condujo al desarrollo moderno de la metodología racional de diseño. En los comienzos del desarrollo de la metodología racional su utilización se centraba en estructuras de un número limitado de capas debido a la utilización de ábacos. Fue así como se comenzó el desarrollo de programas de computador que tuvieran en cuenta la presencia de varias capas tales como el ALIZE desarrollado por el LCPC de Francia en 1964. En Colombia el Instituto de Vías de la Universidad del Cauca implementó un programa similar al final de la década de los 80 llamado DEPAV. La utilización de la metodología de diseño racional de pavimentos ha sido complementada en los últimos años por el progreso en el

conocimiento del comportamiento a la fatiga y bajo cargas cíclicas de los materiales que componen la estructura del pavimento. Finalmente cabe anotar que la correcta utilización de la metodología de diseño racional debe pasar obligatoriamente por el estudio experimental del comportamiento de los materiales bajo cargas cíclicas (fatiga y módulo dinámico).

A.6 LÍNEAS GENERALES DE LA METODOLOGÍA DE DISEÑO UTILIZADA EN ESTE MANUAL La metodología de diseño que se propone en este manual es la metodología racional de diseño de pavimentos. Esta metodología es la más apropiada para situaciones complejas como la de Santa Fé de Bogotá donde la calidad de los materiales y de la subrasante es en la mayoría de los casos deficiente y las cargas son considerablemente más altas al eje de 8.2 toneladas considerado tradicionalmente en las metodologías empíricas. La metodología racional combina elementos de la mecánica de pavimentos y elementos experimentales así: • Los elementos de la mecánica de pavimentos se utilizan para definir un modelo de la estructura de pavimento que permita calcular los esfuerzos inducidos por el tráfico. • Los resultados de los ensayos de laboratorio sobre la degradación en fatiga de los materiales para pavimento se utilizan para establecer el número de ejes equivalentes que el pavimento puede soportar. Una de las características de la metodología racional de diseño es la posibilidad de adoptar un procedimiento probabilístico. De esta manera, el objetivo no es calcular la vida útil de una estructura de pavimento sino evaluar la probabilidad de rotura acumulada en el tiempo. El detalle de la caracterización mecánica de los suelos de subrasante y de los materiales para pavimento se exponen en el Título B y D de

este manual. Los elementos necesarios para el diseño de estructuras nuevas se presentan en el Título C de este manual. A.6.1 CARÁCTER PROBABILISTICO DEL DISEÑO Una de las particularidades principales del diseño racional de pavimentos es su carácter probabilístico. Esto se debe al carácter aleatorio de diferentes factores que intervienen en el cálculo de la durabilidad de un pavimento. Si bien el control durante el proceso de fabricación de los materiales para pavimento y las precauciones que se tomen durante la construcción pueden limitar la variación de las características del pavimento, la evolución de la degradación por fatiga es un proceso aleatorio que se aprecia en la dispersión de los resultados del ensayo de fatiga en laboratorio. Este aspecto se refuerza con la variabilidad del espesor de las capas en la obra, dispersión que depende de la técnica constructiva del grado de control de calidad ejercido. En fin, los factores con los cuales se definen las cargas sobre el pavimento (tráfico, clima) varían durante la vida útil de la estructura sin que se pueda hacer una previsión precisa (tasa de crecimiento y composición del tráfico, etc.). La combinación de todos estos factores conducen a razonar en términos probabilísticos para estimar la evolución del riesgo de degradación del pavimento. Este concepto se traduce en definir la vida útil inicial y el riesgo de cálculo. A.6.2 CONCEPTOS DE VIDA ÚTIL INICIAL Y RIESGO DE CÁLCULO

La noción de vida útil de un pavimento es un concepto difícilmente definible y poco práctico. Por un lado la degradación no se desarrolla de manera homogénea y de otro lado las consideraciones económicas hacen obligatorias las labores de reparación antes de la destrucción total del pavimento. Es necesario utilizar un parámetro distinto para el diseño de estructuras de pavimento.

Teniendo en cuenta el carácter probabilístico, el método más conveniente consiste en buscar que la probabilidad de aparición de degradaciones de una magnitud dada, antes de un período de tiempo P, sea inferior a un valor fijo determinado. Esta probabilidad de falla es llamada “riesgo de cálculo” y el período de tiempo P se define como “vida útil de cálculo”. La definición del riesgo de cálculo es la siguiente: Un riesgo x% en un tiempo de P años, se define como la probabilidad de que durante el período P aparezcan desordenes en la estructura que impliquen trabajos de refuerzo asimilables a una reconstrucción del pavimento, esto en ausencia de toda reparación de tipo estructural en ese intervalo. A.6.3 FACTORES CONSIDERADOS PARA EL DISEÑO El método racional de diseño de pavimentos considera los siguientes factores: • El tráfico. • El clima. • La subrasante. • Las capas de pavimento. • La calidad de la construcción. Con base en estos parámetros el diseño pretende determinar los espesores de las diferentes capas contempladas para garantizar requisitos de durabilidad, funcionamiento y calidad. Tráfico Los pavimentos se diseñan dependiendo del tráfico de vehículos pesados. El método de cálculo incluye la conversión del tráfico de vehículos de diferente configuración y carga en un tráfico equivalente de ejes estándar. Teniendo en cuenta que las disposiciones legales sobre la carga autorizada para los vehículos de en Colombia sobrepasa ampliamente la carga estándar de 8.2

toneladas, se propone para Santa Fé de Bogotá un eje estándar de 13 toneladas, con dos ruedas gemelas. Para determinar las relaciones de equivalencia entre ejes de carga diferente se debe conocer la degradación unitaria que produce cada eje. Éstas se obtienen con base en cálculos de los esfuerzos inducidos en cada capa y del comportamiento a la fatiga del material considerado. De este análisis se concluye que la agresividad de cada eje no depende únicamente de su carga sino también de los materiales que constituyen el pavimento. Por comodidad y por necesidad de normalización se presenta la noción de tipo de tráfico. Este se determina en función del tráfico diario de ejes estándar del carril más cargado, durante el primer año de funcionamiento. Los rangos de cada tipo de tráfico se presentan en el Título C de este manual. Clima La temperatura tiene una importante influencia en los diferentes tipos de pavimento, afectando principalmente lo siguiente: • El comportamiento de los materiales asfálticos. • Las variaciones cíclicas de la abertura de las fisuras de retracción en los materiales tratados con ligantes hidráulicos. • Las deformaciones de las losas de pavimento rígido debidas a los gradientes de temperatura. Generalmente para los materiales asfálticos, el diseño se realiza considerando una temperatura constante equivalente. Para la ciudad de Santa Fé de Bogotá las medidas realizadas durante un año demuestran que la temperatura equivalente para el diseño puede considerarse como de 20ºC. La Subrasante La caracterización mecánica de la subrasante se describe en Título B de este manual. Para el diseño de la estructura de pavimento por el método racional esta capa se describe mediante el módulo elástico

en el rango de deformaciones reversibles considerando el estado hídrico más desfavorable (modulo resilente). Materiales para las Capas de Pavimento La metodología de diseño presentada en este manual se aplica a los materiales que se definen en el Título D. Para definir las características de estos materiales se presentan un conjunto de especificaciones (véase el reglamento del sector Vial Urbano para Santa Fe de Bogotá, RSV-2000) y a título indicativo se presentan algunos valores típicos de parámetros de diseño en función de sus características mecánicas básicas (resistencia a la compresión o a la tracción). En caso que se prevea la utilización de materiales que no estén contemplados en el RSV-2000, se deberá adelantar un estudio de laboratorio particular que deberá complementarse con tramos experimentales de prueba que deben someterse al paso acelerado de ejes cargados. Para los materiales estudiados y referenciados en este manual los parámetros de comportamiento mecánico deben considerarse como valores índice típicos obtenidos luego de un estudio muy particular de cada material. Estos valores solamente se podrán utilizar para efectos de un predimensionamiento de las estructuras de pavimento y para análisis comparativos de los diferentes materiales. En ningún caso deben utilizarse estos parámetros para el diseño de alguna estructura de pavimento. El comportamiento a la fatiga de los materiales se estudió también con base en ensayos de laboratorio. Teniendo en cuenta el carácter intrínsecamente disperso de este tipo de resultados, se presentan los valores de esta dispersión obtenidos a partir de numerosos estudios sobre cada material. Esta dispersión se tiene en cuenta en la metodología de diseño tal como se explica más adelante. Calidad de la Construcción Las disposiciones que se presentan en la metodología de diseño propuesta corresponden a situaciones en las que se respeta la práctica estándar aceptada en lo que respecta a la fabricación de materiales

para pavimentos (véase RSV-2000). Estas reglas permiten asegurar la homogeneidad de las composiciones y de las características mecánicas de cada material. Si se supone que la fabricación del material está debidamente controlada, el factor que queda como variable es el espesor de las capas que se considera como una variable aleatoria. La metodología de diseño propuesta permite tener en cuenta la dispersión del espesor de las capas adoptando los valores que se obtienen comúnmente en la práctica. A.6.4 DETERMINACIÓN ADMISIBLES

DE

LAS

SOLICITACIONES

Los valores de las solicitaciones admisibles en cada capa del pavimento se determinan a partir de las características de comportamiento a la fatiga de cada material, del tráfico acumulado y del riesgo de cálculo. Se incluye un coeficiente de “calibración” de la metodología que tiene como objetivo corregir la diferencia entre los valores obtenidos en el cálculo y los observados realmente en el pavimento. A.6.5 RELACIÓN ENTRE SOLICITACIONES ADMISIBLES Y RIESGO DE CÁLCULO Las características mecánicas de los materiales de pavimento se pueden considerar como homogéneas siempre y cuando se fabriquen siguiendo un control adecuado. Siendo así, los únicos factores que reflejan la variabilidad en la aparición de degradaciones en el pavimento son las dispersiones en: • Los resultados de los ensayos de fatiga. • La dispersión del espesor de las capas durante la construcción. La curva de fatiga que se obtiene a partir de la correlación de los resultados de ensayos de laboratorio corresponde a una probabilidad de falla del 50%. Los resultados de los ensayos, expresados en logaritmo en base diez del número de ciclos hasta la falla se distribuyen siguiendo una ley normal con una desviación estándar

denominada σN. El espesor de las capas se considera que sigue una función de distribución de tipo normal, con desviación estándar denominada σH. Si se considera el caso de un pavimento que debe diseñarse para una vida útil inicial de cálculo P que corresponda a NE repeticiones de carga de un eje de 13 toneladas, calcular este pavimento para un riesgo r en ese período corresponde a diseñarlo para que la probabilidad de falla en el período P sea al menos igual a r. El riesgo r, es la integral de la densidad de probabilidad de la variable reducida LogN. La desviación estándar δ, asociada a la variable LogN, se obtiene combinando los factores de dispersión correspondientes a la ley de fatiga y al espesor de las capas así:

δ = [ σN2 + (C/b)2 σH2 ]0.5 en donde: C: es un coeficiente que relaciona la variación de la deformación (o del esfuerzo) en la capa de pavimento con el espesor de la capa σH: (logε = logε0 - C∆h). b: es la pendiente de la ley de fatiga del material expresada en forma bilogarítmica. En la Figura A.3 se ilustra la manera como se deduce el valor de la solicitación admisible para un tráfico acumulado N y un riesgo r dados. Esta curva específica que hace referencia a la deformación unitaria admisible, puede emplearse igualmente para otra solicitación admisible como pueden ser los esfuerzos. A.6.6 COEFICIENTE DE CALIBRACIÓN El cálculo de las solicitaciones admisibles para las capas de pavimento ligadas está afectado por un coeficiente de calibración Kc el cual corrige la diferencia entre las predicciones del diseño y el comportamiento real del pavimento. Los valores de Kc que se presentan en este manual han sido adoptados de recomendaciones de países extranjeros con mayor

experiencia en el diseño racional de pavimentos. Estos valores corresponden a diseños realizados siguiendo la metodología que se presenta en este manual, particularmente en lo referente a: • Materiales que cumplan con los requerimientos de este manual. • Modelo de cálculo multicapa elástico lineal. • Descripción del comportamiento a la fatiga obtenida a partir de ensayos en flexión alternada. No se permite la utilización directa del coeficiente Kc que se presentan en este documento en los casos siguientes: cuando se realizan ensayos de fatiga diferentes a los de flexión alternada o metodologías de cálculo diferentes, (por ejemplo cálculo por el método de los elementos finitos utilizando leyes de comportamiento no lineales, o ensayos de fatiga para materiales asfálticos con esfuerzo impuesto y tiempos de reposo).

Para la determinación de coeficientes de calibración para materiales nuevos se deben realizar ensayos de tramos de prueba.

A.6.7 DEFINICIÓN DE LOS ESPESORES DE LAS CAPAS Los espesores de los materiales que se obtienen de los cálculos deben ajustarse convenientemente con el fin de tener en cuenta: • Las restricciones de tipo tecnológico sobre espesores mínimos y máximos de las capas para cumplir con los objetivos de compactación y continuidad. • La minimización del número de interfaces y a la vez la reducción del riesgo de defectos de liga en estos niveles. El aseguramiento de una protección adecuada de las capas tratadas con ligantes hidráulicos con respecto a los fenómenos que no se tienen en cuenta en la metodología de cálculo (principalmente el calcado de fisuras).

TÍTULO B: PLATAFORMA SOPORTE DEL PAVIMENTO

B.1 FUNCIONES Y CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN DE LA PLATAFORMA SOPORTE DEL PAVIMENTO B.1.1 CRITERIOS A CORTO PLAZO PARA LA PLATAFORMA SOPORTE DEL PAVIMENTO B.1.2 CRITERIOS ALARGO PLAZO PARA LA PLATAFORMA SOPORTE DEL PAVIMENTO B.1.3 PROCEDIMIENTO DE CLASIFICACIÓN DE LA PLATAFORMA SOPORTE DEL PAVIMENTO

B.2 CARACTERIZACIÓN DE LA SUBRASANTE B.2.1 IDENTIFICACIÓN DE LOS SUELOS PARA LA SUBRASANTE Y LA CAPA DE CONFORMACIÓN B.2.2 AMBIENTE HÍDRICO B.2.3 CLASES DE CAPACIDAD PORTA N T E D E SUBRASANTE B.2.4 CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE LOS SUELOS DE S U B R A S A N T E PARA EL CÁLCULO DE OPTIMIZACIÓN DE LA CAPA DE CONFORMACIÓN

B.3 CAPA DE CONFORMACIÓN B.3.1 FUNCIONAMIENTO Y DISEÑO DE LA CAPA DE CONFORMACIÓN B.3.2 MATERIALES PARA LA CAPA DE CONFORMACIÓN

B.4 CLASIFICACIÓN DE LA PLATAFORMA SOPORTE PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO B.4.1 CLASES DE PLATAFORMA SOPORTE B.4.2 NATURALEZA Y ESPESORES DE LA CAPA DE CONFORMACIÓN B.4.3 CAPA DE CONFORMACIÓN EN MATERIAL NO TRATADO B.4.4 CAPA DE CONFORMACIÓN EN SUELOS ARCILLOSOS O LIMOSOS TRATADOS EN EL SITIO

B.4.5 CAPA DE CONFORMACIÓN EN MATERIALES G R ANULARES TRATADOS CON LIGANTES HIDRÁULICOS B.4.6 OPTIMIZACIÓN DE LA CAPA DE CONFORMACIÓN B.4.7 METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO GLOBAL PAVIMENTO-CAPA DE CONFORMACIÓN B.4.8 DISEÑO DE CAPAS DE CONFORMACIÓN EN MATERIALES TRATADOS QUE HAGAN PARTE DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO

B.1 FUNCIONES Y CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN DE LA PLATAFORMA SOPORTE DEL PAVIMENTO as estructuras de pavimento se construyen sobre una capa llamada plataforma soporte de el pavimento (Figura B.1), constituida por:

L

• El suelo soporte (en corte o terraplén), cuya parte superior (aproximadamente en 1 m de espesor) recibe el nombre de parte superior de la explanación (PSE) y su superficie se denomina subrasante. • Una capa de conformación eventual.

Esta plataforma cumple con dos funciones esenciales: • En primer lugar protege el suelo soporte de la intemperie y soporta el tráfico generado por la obra de tal forma que la construcción de las capas de pavimento sea técnicamente posible; • También sirve como soporte de las capas de pavimento y por lo tanto cumple con una función estructural e influye en el resultado del diseño.

De esta forma, la clasificación y las exigencias que debe cumplir la plataforma soporte del pavimento se deben definir teniendo en cuenta lo siguiente: • Criterios a corto plazo asociados a la construcción del pavimento, • Criterios a largo plazo para el diseño y la verificación del comportamiento estructural del pavimento en servicio. B.1.1 CRITERIOS A CORTO PLAZO PARA LA PLATAFORMA SOPORTE DEL PAVIMENTO A corto plazo, durante la construcción de la obra, la plataforma debe tener unas características mínimas: • De capacidad portante, para asegurar la circulación de la maquinaria de aprovisionamiento de los materiales, • De nivelación para garantizar la regularidad del espesor de las capas y la planeidad de la vía terminada. • De deformabilidad para permitir la adecuada compactación de las capas de pavimento. Con respecto a los criterios para la construcción, los rangos de valores permitidos dependen de la importancia de la obra, de la maquinaria, de los métodos y condiciones de ejecución, así como también de la naturaleza del material de la capa de sub base del pavimento. Para las obras para tráficos medios o altos (superior o igual a T3) se utilizan los siguientes parámetros de con trol: • Para la capacidad portante: en el caso del suelos sin cohesión no tratados, el índice de capacidad portante inmediato IPI, (norma IDU-100) debe ser al menos menos igual a 35. La nivelación de la plataforma realizarse con una tolerancia de más o menos 3 cm. • Para la deformabilidad de la plataforma: en el momento de la colocación de las capas de pavimento la deformabilidad debe

ser tal que la deflexión medida bajo un eje de 13 toneladas sea inferior a 2 mm; (1.3 mm en el caso de ejes de 8.2 toneladas). Para las obras de pequeña envergadura que corresponden generalmente a de pavimentos de bajo tráfico (inferior a T3), se pueden permitir capacidades portantes de la plataforma un poco más bajas, a partir de 30 MPa aproximadamente. Lo anterior es posible si la capa de sub base se construye con gravas no tratadas o se realiza con ciertos materiales como las arenas o limos tratados con ligantes hidráulicos o con cal. Por el contrario, para los pavimentos de alto tráfico (superior a T3), en los cuales la circulación de maquinaria sobre la capa de conformación será importante se deben utilizar rangos menores. Esto con el fin de reducir la dispersión sobre el espesor de las capas de pavimento. En este caso los rangos que se deben cumplir son los siguientes: • Una nivelación de la plataforma con una tolerancia de más o menos 2 cm. • Una deflexión inferior a 1,5 mm para ejes de 13 toneladas o 1 mm para ejes de 8.2 toneladas.

B.1.2 CRITERIOS A LARGO PLAZO PARA LA PLATAFORMA SOPORTE DEL PAVIMENTO A largo plazo, en lo que tiene que ver con el diseño de la estructura del pavimento, la plataforma soporte se caracteriza por una clase de capacidad portante que se obtiene con base en: • El comportamiento del suelo soporte en el espesor correspondiente a la parte superior de la explanación, (aproximadamente 1 m). En esta capa se debe tener en cuenta la naturaleza del suelo y el ambiente hidrológico en las condiciones más desfavorables, • El tipo de material y el espesor de la capa de conformación utilizados.

B.1.3 PROCEDIMIENTO DE CLASIFICACIÓN DE LA PLATAFORMA SOPORTE DEL PAVIMENTO El procedimiento para escoger el tipo de plataforma soporte del pavimento en función del tipo de subrasante y del tipo de capa de Tabla B.1: Clases de Suelo Clase

Denominación

Características

A

Suelos finos

Tamaño máximo de las partículas < 50 mm. Porcentaje que pasa tamiz 200 >35%

B

Suelos con arenas o gravas con finos

Tamaño máximo de las partículas < 50mm. Porcentaje que pasa tamiz 200 entre 5 y 35%

C

Tamaño máximo de las Suelos con partículas > 50mm. particulares finas Porcentaje que pasa y gruesas tamiz 200 > 5%

D

E

F

Ejemplos

Arcilla, limo.

Arenas, gravas, arcillas, etc.

Arcillas, aluviones gruesos

Arenas y gravas. Material derivado de roca sana limpio

Suelos y rocas insensibles al agua

Porcentaje que pasa tamiz 200 35%

D < 50mm Pasa tamiz 200 entre 5 y 35%

IP < 10

A1

10 < IP < 20

A2

20 < IP < 50

A3

IP > 50

A4

Retenido acumulado en 2 mm inferior a Pasa tamiz 200 30%. de 5 a Retenido 12% acumulado en 2 mm superior a 30%. Pasa tamiz 200 de 12 a 35%

Subclases

EA > 35

B1

EA < 35

B2

EA > 25

B3

EA < 25

B4

IP < 10

B5

IP > 10

B6 C1

Pasa tamiz 200 elevado > 12%

C Suelos con comportamiento fino y elementos gruesos

D Suelos y rocas insensibles al agua

D > 50mm Pasa tamiz 200 > 5%

Pasa tamiz 200 < 5%

Pasa tamiz 200 < 12%

D < 250mm

C2

D > 250mm

C3

Retenido acumulado en inferior al 30% D < 50mm Retenido acumulado en superior al 30% 50 mm < D < 250 mm D > 250 mm

2 mm 2 mm

D1 D2 D3 D4

conformación incluye varias etapas. El procedimiento pasa en primer lugar por una clasificación del tipo de subrasante que depende del tipo de suelo, del ambiente hídrico del sitio y de las condiciones de drenaje. En segundo lugar se clasifica el tipo de capa de

conformación de acuerdo con el material utilizado (material granular no tratado, suelo fino tratado, material granular tratado o procedimientos especiales). Esta clasificación conduce a un procedimiento de dimensionamiento de la capa de conformación que permite escoger la capacidad portante de la plataforma soporte del pavimento (véase Anexo 1). También es posible realizar cálculos detallados para optimizar el espesor de la capa de conformación. En este caso se sigue un procedimiento de diseño similar al indicado en el Título D de este manual.

B.2 CARACTERIZACIÓN DE LA SUBRASANTE El diseño de la capa de conformación y de la estructura del pavimento se basa en una caracterización mecánica de los suelos de la subrasante y de la parte superior de la explanación (PSE). B.2.1 IDENTIFICACIÓN DE LOS SUELOS PARA LA SUBRASANTE Y LA CAPA DE CONFORMACIÓN Las variables que intervienen en la clasificación de los suelos de subrasante son: • Los parámetros descriptivos de la granulometría y del contenido de arcilla, • El estado hídrico en el momento de la construcción, • Los parámetros de comportamiento, obtenidos a partir de ensayos mecánicos, destinados a evaluar la posibilidad de utilización de arenas y materiales rocosos en la capa de conformación. Las tablas sinópticas de clasificación de materiales se presentan a continuación (Tabla B.1 y Tabla B.2).

Tabla B.3: Tipo de Subrasante (SK) Clases y subclases de suelos

Clasificación en tipos de subrasante Humedad característica del metro superior de suelo natural en el sitio con respecto a la húmedad óptima (en%)

-4 -3 -2 -1

0

1

2 3 4 5 6

S1 o S2* S1 S0

A1, B2, B4, B5 A2, B0 C1 (fracción < 20mm), A3 A4

* La clasificación en S2 solo podrá realizarse si el estudio geotécnico determina que las condiciones establecidas de humedad se cumplen rigurosamente (ver Manual de Diseño de Pavimentos. MDP-2000).

Grado de saturación característico del metro superior de suelo en el sitio

B1, D1

50%

S2

90%

S1

S0

B3

S2

D2, D3, D4

Podrá adoptarse S3 cuando se realicen ensayos (en el sitio) del módulo elástico del suelo en condiciones más desfavorables de humedad y el módulo obtenido sea mayor que 120 MPa. Se adoptará la clase SK del material de la capa intermedia adicionada ya que se requiere una capa con el fin de respetar la tolerancia en la nivelación y homogeneizar la capacidad portante. Suelo difícil de caracterizar. Clasificarlo en S0, S1 o S2 de acuerdo con un estudio específico. Apreciar la evolución del suelo y de acuerdo con eso clasificarlo. Realizar ensayos para determinar el módulo elástico en el sitio. Tener en cuenta que estos tipos de materiales presentan características evolutivas que cambian con el tiempo.

S2

Cortes en roca

C2, C3 Material E y F

B.2.2 AMBIENTE HÍDRICO El estado hídrico de los suelos de soporte, así como también las características mecánicas de los materiales sensibles al agua fluctúa en el tiempo, según las condiciones hidrológicas ( nivel freático, infiltraciones de agua); y en función de las disposiciones constructivas del proyecto (trazado, geometría, dispositivos de drenaje y evacuación de aguas).

Está variabilidad en el tiempo y en el espacio hace difícil una descripción precisa del ambiente hídrico. Por esta razón, para la definición de los casos de capacidad portante a largo plazo de la plataforma soporte del pavimento, los elementos que se deben tener en cuenta se reducen a los siguientes:

• La apreciación del estado hídrico de los materiales. • Una apreciación del contexto general del pavimento una vez en servicio (posibilidades de llegada de agua, drenaje...). En la Tabla B.3 se establece la clasificación final según tipos de subrasante teniendo en cuenta estos aspectos.

B.2.3 CLASES DE CAPACIDAD PORTANTE DE SUB RASANTE Alternativamente a lo establecido en las Tablas B.1, B.2 y B.3 se puede establecer unas categorías de la parte su pe rior de la explanación (PSE). La descripción cualitativa de la parte superior del explanación dada en la Figura B.2 permite definir la capacidad portante a largo plazo de sub rasante (SK). Con base en las clasificaciones de la subrasante presentadas, se definen cuatro categorías de subrasante (Tabla B.4).

En el caso de la PSE número cero (categoría de subrasante S0), es necesario mejorar las condiciones (por purga, drenaje, etcétera), con el fin de lograr llegar a una capacidad portante a largo plazo superior a 20 MPa antes de establecer la clasificación de la plataforma soporte del pavimento.

Tabla B.4: Clases de Capacidad Portante de la Subrasante (SK) Módulo (MPa) 20 a 50 50 a 120 < 20 ≥ 120 Clase de Subrasante S0 S1 S2 S3 Para las vías de alto tráfico es necesario introducir una categoría de subrasante intermedia denominada S12, que corresponde a una capacidad portante caracterizada por un módulo comprendido entre 35 y 50 MPa. Para este caso se escoge la siguiente clasificación: • PSE 3, cuando se constata que el drenaje es eficaz, • PSE 4, cuando se realiza un tratamiento con cal. Alternativamente a la clasificación cualitativa anterior se puede realizar la clasificación cuantitativa con base en la medición de los módulos. En este caso los módulos resilientes deben obtenerse a partir de ensayos de placa o con medidas de deflexión con un eje de 13 toneladas cuando se trata de suelos insensibles al agua o cuando el estado hídrico en el momento del ensayo sea representativo de las condiciones más desfavorables que pueden encontrarse en el pavimento una vez esté en servicio. En el caso de suelos finos, el módulo puede medirse directamente en el campo con base en ensayos dilatométricos o en laboratorio utilizando un aparato triaxial. Para propósitos de un prediseño se puede estimar el módulo a partir de ensayos de penetración del tipo CBR realizado sobre muestras con una humedad representativa de las condiciones hídricas desfavorables a largo plazo y utilizando las correlaciones apropiadas. Se recomienda en general utilizar (E=5 CBR en MPa). B.2.4 CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE LOS SUELOS DE SUBRASANTE PARA EL CÁLCULO DE OPTIMIZACIÓN DE LA CAPA DE CONFORMACIÓN Los suelos son materiales con comportamiento complejo en los que existe una clara dependencia entre las características mecánicas y el nivel de deformación (material no lineal) y del estado hídrico. Además, se suma la gran variabilidad de estos materiales naturales a lo largo del trazado de una vía.

Sin embargo para la evaluación de los esfuerzos en las capas del pavimento basta con conocer una descripción aproximada del comportamiento mecánico del suelo soporte. En el procedimiento de diseño de la plataforma soporte se deben utilizar las características mecánicas correspondientes a las condiciones hídricas más desfavorables que pueden presentarse durante la vida útil del pavimento. Cálculo de los Esfuerzos en el Pavimento Bajo un Eje de Referencia El método de diseño adopta como hipótesis para el suelo soporte un comportamiento elástico lineal caracterizado por un valor del módulo elástico y un valor de la relación de Poisson igual a 0.35 a menos que se determine otro valor. El módulo elástico que debe utilizarse corresponde al valor del límite inferior del tipo de capacidad portante a largo plazo de la subrasante. Deformaciones Permanentes del Suelo Soporte del Pavimento Con respecto al riesgo de ahuellamiento del suelo soporte debido a la acumulación de deformaciones irreversibles producidas por las cargas rodantes, el método de diseño se limita actualmente a establecer una amplitud máxima de la deformación vertical εz del suelo soporte que se calcula bajo el eje de referencia. Las relaciones del tipo εz,ad = f(N) tienen fundamento empírico basado en la observación de la evolución del ahuellamiento de ciertos pavimentos flexibles. Una metodología más rigurosa para estimar la profundidad del ahuellamiento del suelo soporte necesita resultados experimentales obtenidos en un aparato triaxial cíclico con cargas repetidas, así como también un modelo de cálculo para evaluar la repartición de los esfuerzos bajo el eje de referencia y de las deformaciones irreversibles acumuladas.

B.3 CAPA DE CONFORMACIÓN B.3.1 FUNCIONAMIENTO Y DISEÑO DE LA CAPA DE CONFORMACIÓN La capa conformación es una capa de transición que permite adaptar las características de los materiales de terraplén o del material natural para que cumpla con las funciones esenciales de una plataforma soporte de pavimento. La capa de conformación debe cumplir con los objetivos siguientes: • A corto plazo (durante la construcción de la obra): nivelación, capacidad portante, protección del suelo soporte, capacidad para soportar el tráfico. • A largo plazo (durante la operación del pavimento): homogeneidad, mantenimiento en el tiempo de una capacidad portante mínima, contribución al drenaje, etc. Según las características de la obra (naturaleza de los suelos, clima, ambiente hidrogeológico, tráfico en la obra, etc.), la capa conformación puede ser: • Inexistente o reducida a una delgada capa de nivelación, cuando los materiales que constituyen el terraplén o el suelo natural tienen las calidades requeridas. • Constituida de una o varias capas de materiales diferentes que incluyen eventualmente un geosintético. El espesor de la capa de conformación puede resultar de un estudio técnico económico de optimización. Para realizar esta búsqueda del espesor óptimo, puede realizarse un estudio específico que tenga en cuenta las características mecánicas de los materiales (Anexo 1). B.3.2 MATERIALES PARA LA CAPA DE CONFORMACIÓN Ciertos materiales pueden utilizarse en la capa conformación en su estado natural, otros pueden utilizarse luego de una modificación de su naturaleza o de su estado con el fin de satisfacer los criterios siguientes:

• Insensibilidad al agua. • Tamaño máximo de las partículas. • Resistencia a la circulación de la maquinaria de la obra. En el caso de obras de gran envergadura se deben respetar el conjunto de estos criterios. En los otros casos, ciertas exigencias tales como la resistencia a la circulación de la maquinaria bajo cualquier condición climática pueden flexibilizarse teniendo en cuenta las condiciones climáticas del momento y la duración de la obra.

B.4 CLASIFICACIÓN DE LA PLATAFORMA SOPORTE PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO La capacidad portante a largo plazo de la plataforma soporte del pavimento se determina conociendo las características de la subrasante y de la capa de conformación. Si las capas de conformación no cumplen la naturaleza o el espesor dados en las Tablas, la categoría de la plataforma PFi debe conservar el subíndice del tipo de subrasante Sj definido anteriormente, o sea PFi = Si. B.4.1 CLASES DE PLATAFORMA SOPORTE La tabla B.5 define las clases de plataformas según el valor de módulo elástico o módulo resiliente.

Tabla B.5: Clases de Plataformas Soporte del Pavimento Módulo (Mpa) 20 a 50 50 a 120 120 a 200 Clase de Plataforma PF1 PF2 PF3

>200 PF4

La verificación con ensayos realizados en la superficie de la plataforma (ensayo de placa, o ensayo de viga Benkelman) sólo tiene sentido si los materiales del soporte son insensibles al agua o si las condiciones hídricas son representativas del estado a largo plazo. B.4.2 NATURALEZA Y ESPESORES DE LA CAPA DE CONFORMACION El espesor del material de la capa de conformación necesario para permitir una mejora en la clasificación de capacidad portante de la plataforma soporte pavimento se determina:

Tabla B.6: Determinación de PFj - Capas de Conformación no Tratadas Tipo de subrasante

S1

Naturaleza de la capa de conformación

Espesor de la capa de conformación (cm)

Categoría de Plataforma

Capa de conformación de poco espesor.

< 30

PF1

Materiales S2 no tratados (1)

> 70

PF2

> 50 > 80

PF2 PF3

Ausencia de la capa de conformación o con capa de conformación en material S2(1)

< 30

PF2

Materiales S3 no tratados (2)

> 50

PF3

Materiales S3 no tratados

S2

S3 Nota: (1) (2)

En principio B3 y algunos B4, C2, D2, D3. En principio para D2, D3.

(2)

PF3

• Examinando la incidencia del espesor y de la calidad de la capa de conformación sobre los esfuerzos y deformaciones en las capas de pavimento y en el suelo soporte, • Verificando que los esfuerzos de tracción permanezcan dentro del rango admisible en el caso de capas de conformación en materiales tratados. Este análisis del funcionamiento del pavimento en servicio debe completarse con análisis de la resistencia de la capa conformación bajo el tráfico generado por la obra. El efecto sobre los esfuerzos y deformaciones en las capa de pavimento de un aumento del espesor de la capa de conformación depende de las características del pavimento. En este manual se incluyen las reglas para escoger el espesor de la capa de conformación. Los espesores propuestos provienen de cálculos de esfuerzos y deformaciones en las capas de pavimento, complementados con el análisis del comportamiento del pavimento en servicio y constataciones en la obra sobre la resistencia de las capas de conformación al tráfico de la maquinaria. B.4.3 CAPA DE CONFORMACIÓN EN MATERIAL NO TRATADO Los espesores del material para la capa de conformación en material no tratado que permitan obtener una plataforma PFj a partir de una subrasante de clase Sk se presentan en la Tabla B.6. B.4.4 CAPA DE CONFORMACIÓN EN SUELOS ARCILLOSOS O LIMOSOS TRATADOS EN EL SITIO En este caso los materiales pueden ser: • Para una utilización con tratamiento con cal solamente, los suelos A3 • Para una utilización con tratamiento mixto con cal y cemento, o con cemento solo, se pueden utilizar los suelos A1, A2 y eventualmente A3. También se pueden utilizar los materiales C cuya fracción 0-50 mm esté constituida por los suelos

precedentes y cuando se tenga experiencia en el tratamiento de este material. La naturaleza del tratamiento se debe escoger en función del contenido de arcilla y del estado hídrico. La Tabla B.7 presenta la clasificación de la plataforma soporte en función de la clase de subrasante y de las alternativas de capas de conformación en materiales tratados. Tabla B.7: Clasificación de la plataforma con capa de conformación en arenas tratadas en el sitio Clase de Material de la Capa Espesor de la Capa de Clase de Plataforma Subrasante de Conformación Conformación

S1

S2

A3 tratado con cal solamente

0.50 m en dos capas

A1, A2, A3 tratados con cal y cemento o eventualmente cemento solo A3 tratado con cal solamente A1, A2, A3 tratados con cal y cemento o eventualmente cemento solo A3 tratado con cal solamente A1, A2, A3 tratados con cal y cemento o eventualmente cemento solo

0.35 m

PF 2

0.70 m en dos capas 0.50 m en dos capas

0.50 m en dos capas

PF 3

0.35 m

El estudio del material para la capa de conformación debe precisar la resistencia que se debe obtener a edad temprana teniendo en cuenta el período de ejecución de los trabajos y la época en que se pondrá en circulación la maquinaria de la obra. B.4.5 CAPA DE CONFORMACIÓN EN MATERIALES GRANULARES TRATADOS CON LIGANTES HIDRÁULICOS Ajustando las condiciones de ejecución y una dosificación en ligante apropiada es posible obtener con estos materiales valores de capacidad portante elevados y obtener una plataforma de clase PF3 o PF4. El espesor de la capa de conformación que se debe colocar y la clasificación de la plataforma dependen de: • La clase de capacidad portante del suelo de subrasante. • Las características mecánicas del material tratado. • Del tratamiento (en planta o en el sitio).

El material de la capa conformación se califica por medio de una clase mecánica determinada a partir de: • La figura B.3 que define las zonas según los valores del módulo elástico medido a 90 días y la resistencia a la tracción directa correspondiente al grado de compactación de la parte inferior de la capa. • De la Tabla B.8 en lo que respecta al modo de fabricación, con el fin de tener en cuenta las diferencias en la homogeneidad del material tratado.

En la Tabla B.9 se precisan los espesores de la capa conformación que se deben colocar en función de las diferentes clases mecánicas del material tratado. Para determinar estos valores se han tenido en cuenta los elementos siguientes: • Un espesor mínimo de 30 cm para la subrasante S1 con el fin de asegurar una adecuada resistencia de la capa de conformación a edad temprana bajo la circulación de maquinaria de la obra (este espesor se convierte en 25 cm para las subrasantes S2). • Una verificación de la resistencia a la fatiga de la capa de conformación tratada. • Una mayoración de 5 cm aproximadamente de los valores obtenidos en el cálculo para tener en cuenta las irregularidades en los espesores y en la calidad del tratamiento y de adherencia imperfecta entre las capas.

Al igual que para los suelos tratados con cal, el estudio del material debe precisar la resistencia que se debe obtener a edad temprana teniendo en cuenta el período de ejecución de los trabajos y la época en que se pondrá en circulación de maquinaria en la obra.

Tabla B.8: Determinación de la clase mecánica de las arenas y gravas tratadas con ligantes hidráulicos Tratamiento en planta Tratamiento en el sitio Clase mecánica Zona 1 --1 Zona 2 --2 Zona 3 Zona 2 3 Zona 4 Zona 3 4 Zona 5 Zona 4,5 5 Tabla B.9: Clasificación de la plataforma con capas de conformación en materiales tratados con ligantes hidráulicos Clase de Espesor de la capa de conformación (cm) Clase de Subrasante plataforma 3 4 5

** 30 35 PF2 30 35 50*** PF3 40 45*** 55 PF4 S2 25 30 35 PF3 30 35 45*** PF4 * En el caso de alto tráfico T4 y T5 se debe mayorar el espesor en 5 cm. *** Para poder compactar el material será necesario realizarla en 2 capas. S1

B.4.6 OPTIMIZACIÓN DE LA CAPA DE CONFORMACIÓN En los casos en que se realice un cálculo de optimización del espesor de la capa de conformación, la subrasante se toma como uno semi espacio homogeneo con un módulo elástico correspondiente al límite inferior de la clase de capacidad portante Sk (por ejemplo 50 MPa para S2). En el caso en que en el modelo de cálculo se tome la capa de conformación como una capa de pavimento, se debe conocer de la manera más completa y precisa las características mecánicas (deformación y resistencia) del suelo de subsante y del material de la capa conformación. Las características utilizadas se deberán además validar por medio de ensayos en el sitio efectuados en la plataforma soporte del pavimento tales como: • Medidas del módulo de deformación reversible para los materiales no tratados, con base en ensayos de placa o por medio de una viga Benkelman, • En el caso de materiales tratados con ligantes y hidráulicos, se deberán realizar medidas del módulo y resistencia a la flexión o a la tracción sobre muestras tomadas en el sitio. Para esta validación es necesaria la realización de un tramo de prueba, en el cual se deben realizar un número suficiente de ensayos para que los resultados puedan tenerse en cuenta como representativos.

B.4.7 METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO PAVIMENTO - CAPA CONFORMACIÓN

GLOBAL

En los casos para los cuales se desee optimizar el espesor de la capa de conformación se debe realizar un cálculo de acuerdo con la metodología de diseño dada en el Título D (véase ejemplo en Anexo 1). Los parágrafos siguientes presentan las características mecánicas necesarias para el diseño de la capa de conformación. En el el Anexo 1 se presenta un ejemplo de cálculo del conjunto pavimento capa de conformación. Capa de Conformación en Material no Tratado Los materiales granulares no tratados tienen un comportamiento mecánico no lineal, que dependen de la solicitaciones que le son aplicadas, y además no presentan resistencia a la tracción. A falta de un modelo que describa convenientemente este comportamiento reológico, se puede evaluar la capacidad portante de la plataforma de soporte del pavimento en función del espesor de la capa de conformación a partir de la Figura B.4. Esto para los materiales redondeados. En el caso de materiales triturados, susceptibles de conducir a módulos más elevados, se puede determinar el módulo con base ensayos de placa para espesores crecientes del material de la capa de conformación. De manera aproximada, para el cálculo de la estructura del pavimento se puede suponer que el soporte es un medio elástico homogéneo con un módulo igual al valor correspondiente a la plataforma soporte utilizando una relación de Poisson igual a 0.35. En el caso de capas granulares no tratadas reforzadas con geosintéticos, es necesario medir el módulo equivalente de la capa por medio de ensayos in situ (deflexión con viga Benkelman o ensayo de placa). El valor del módulo así obtenido se utiliza en el procedimiento de cálculo suponiendo la capa reforzada como una capa homogénea con relación de Poisson igual a 0.35. En el cálculo para el diseño de la estructura de pavimento, se debe verificar el ahuellamiento en la capa de conformación. Habitualmente esto se hace verificando la deformación vertical en la

superficie superior de esta capa. Esta verificación se basa en los mismos criterios empíricos que los que se indicaron en el caso del suelo de soporte. Capa de Conformación en Material Tratado Para los cálculos necesarios en el diseño se deben utilizar las características correspondientes al fondo de la capa. Las características que se deben determinar son: • El módulo elástico. • La resistencia a la tracción directa Rt o a la compresión diametral (ensayo brasilero), Ft. A falta de un estudio detallado se puede estimar la resistencia a la tracción directa como: Rt = 0.8 Ft En este caso se debe utilizar una relación de Poisson igual a 0.25. Es importante tener en cuenta que los materiales naturales presentan una gran dispersión en lo referente a sus características básicas y características mecánicas. Por esta razón un tratamiento en el sitio difícilmente puede asegurar una buena homogeneidad del tratamiento como si es el caso de un tratamiento en planta (variabilidad lo cal de las humedades, irregularidades en la colocación, etc.). Bajo estas condiciones es importante que el estudio de laboratorio cubra todas las posibles fluctuaciones que pueden esperarse en el material natural. Para escoger las propiedades mecánicas que se deben utilizar en el diseño se debe analizar la dispersión de los valores de cada propiedad y utilizar los valores correspondientes al valor medio menos una desviación estándar. Los valores que se obtienen en el estudio en laboratorio deben confirmarse realizando ensayos sobre muestras tomadas en la obra en la base de la capa. A falta de valores provenientes de un estudio específico, se pueden utilizar los parámetros de comportamiento a la fatiga tomando el material de la capa de conformación como un material similar a los dados en el Título D de este manual.

B.4.8 DISEÑO DE CAPAS DE CONFORMACIÓN EN MATERIALES TRATADOS QUE HAGAN PARTE DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO Para diseñar la capa de conformación construida con materiales tratados con ligantes hidráulicos de tal forma que haga parte integrante de la estructura del pavimento, se deben tener en cuenta las siguientes situaciones de diseño: • Caso 1: resistencia de la capa de conformación ante la circulación de la maquinaria de construcción antes de colocar las otras capas del pavimento. • Caso 2: resistencia de la capa de conformación una vez construido el pavimenro. En el primer caso la capa de conformación no está protegida por las otras capas del pavimento. Por esta razón se debe comprobar la resistencia de la capa ante el paso de los ejes de la maquinaria y tomando como edad del material la correspondiente al momento en que se presenta la circulación de la maquinaria. La degradación por fatiga que sufre el material durante esta etapa no se tiene en cuenta para el diseño de la estructura del pavimento. Cuando se realiza una auscultación para la recepción de la plataforma soporte se puede identificar si la capa de conformación ha sufrido alguna degradación debido a la circulación de la maquinaria. En este caso se deberán mejorar los sitios en cuestión o modificar el diseño de tal forma que se tengan en cuenta las características residuales de la plataforma. En el segundo caso, los valores que se deben tomar son los correspondientes a 360 días de curado al igual que en las otras capas del pavimento. Los resultados de laboratorio que se obtienen generalmente a 28 o 90 días deberán extrapolarse para obtener la resistencia a 360 días. Para esta extrapolación se deben utilizar las recomendaciones dadas en el Título D de este manual.

En el diseño se debe verificar el esfuerzo admisible a la tracción en la capa de conformación. El valor del esfuerzo admisible que se debe utilizar en la etapa de diseño está dado por la siguiente relación: σt,ad = σ6(NE/106)b En la cual σ6 es el esfuerzo a la ruptura en flexión para una muestra con 360 días de curado para 106 ciclos de carga, NE es el número de ejes equivalentes calculado a partir del tráfico acumulado y tomando el valor de agresividad CAM correspondiente a materiales tratados con ligantes hidráulicos para el tráfico considerado. Para el cálculo de los espesores de las capas se deben considerar las superficies en tre suelo-capa de conformación y capa de conformación-sub base como interfaces no ligadas. En el caso de tratamiento en el sitio, el valor del espesor debe aumentarse en 5 cm. Esto con el fin de tener en cuenta factores desfavorables tales como la irregularidad en la geometría de la subrasante y las fluctuaciones en la posición vertical de la maquinaria de mezclado. El espesor que se debe colocar en una sola capa depende de la profundidad que es posible mezclar y compactar según la maquinaria utilizada. Si el cálculo conduce a la utilización de dos capas, estas dos capas se tomarán como no ligadas. Si se determina que la capa de conformación ha sufrido una ruptura por efecto de la circulación de la maquinaria de la obra, se deberá continuar con el cálculo considerando que se trata de un material no tratado. Se determinará el módulo con base en medidas realizadas en el sitio y la capacidad portante se limitará a un valor máximo de PF4. En este caso no es necesario hacer una verificación a la fatiga de la capa de conformación.

TÍTULO C: MÉTODO RACIONAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

C.1 VARIABLES QUE INTERVIENEN EN EL MÉTODO RACIONAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS C.1.1 EL TRÁFICO C.1.2 DISPERSIÓN Y PROBABILIDAD DE FALLA C.1.3 DATOS CLIMÁTICOS Y DEL AMBIENTE C.1.4 CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS QUE INTERVIENEN EN EL DISEÑO RACIONAL DE PAVIMENTOS

C.2 METODOLOGÍA DE DISEÑO

C.3 DISEÑO PARA LAS DIFERENTES FAMILIAS DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS C.3.1 PAVIMENTOS FLEXIBLES Y PAVIMENTOS CON CAPAS ASFALTICAS GRUESAS C.3.2 PAVIMENTOS CON CAPAS TRATADAS CON LIGANTES HIDRÁULICOS C.3.3 PAVIMENTOS CON ESTRUCTURA MIXTA C.3.4 PAVIMENTOS CON ESTRUCTURA INVERSA

C.1 VARIABLES QUE INTERVIENEN EN EL MÉTODO RACIONAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS n este capítulo se presentan las variables necesarias para la aplicación del método racional de diseño de pavimentos. Estas variables se clasifican en cuatro categorías:

E

• El tráfico • Los parámetros de cálculo básicos: estos parámetros son la vida útil de servicio y la probabilidad de falla cuya escogencia se basa en el análisis de la función económica de la carretera. • Los datos climáticos y del ambiente: incluyen los datos descriptivos de las condiciones climáticas del sitio del proyecto que tienen una influencia directa en la escogencia de las variables de cálculo. • Los parámetros descriptivos de los materiales: es un conjunto de variables que agrupan las propiedades de la sub rasante y de los materiales de pavimento necesarias para el análisis de esfuerzos en el pavimento y para su diseño. C.1.1 EL TRÁFICO Los vehículos pesados que se tienen en cuenta en el cálculo son aquellos cuya carga útil es superior o igual a 35 kN. El conocimiento del número de vehículos pesados que transitarán por la vía interviene a manera de: • Criterio de escogencia de las calidades de ciertos materiales que se utilizan como capas de pavimento, como por ejemplo, la dureza de los materiales granulares. • Parámetro de entrada para el análisis del comportamiento a la fatiga de la estructura de pavimento. La clase de tráfico está determinada a partir del número de vehículos pesados por sentido teniendo en cuenta el promedio anual diario para la vía más cargada en el primer año de servicio. En el caso de vías de dos carriles cuyo ancho sea inferior a 6 m, se debe tener en cuenta la superposición de las trayectorias de recubrimiento de las bandas de rodamiento. Para calcular el táfico promedio diario en este caso se puede utilizar la regla siguiente:

• Si el ancho es inferior a 5 m se aplicará para todo el pavimento el 100% del tráfico total en los dos sentidos. • Si el ancho está comprendido entre 5 y 6 m se aplicará el 75% del tráfico total en los dos sentidos. En el caso de calzadas de varios carriles, el carril más cargado generalmente es el lento. Si no existe información sobre la repartición probable del tráfico entre los carriles se tomará el siguiente criterio general: Vías rurales: • En vías de dos calzadas con dos carriles por calzada se tomará el 90% de los vehículos pesados en el sentido considerado y 10% en el carril rápido. • En vías de dos calzadas con tres carriles por calzada se considerará el 80% en el carril lento, el 20% en el intermedio y 0 en el carril rápido. Vías urbanas: • En las vías de dos calzadas con dos carriles por calzada se debe hacer un estudio particular para cada caso. • Para las vías de dos calzadas con tres carriles por calzada se tomará 65% para el carril lento, 30% para el carril intermedio y 5% para el carril rápido.

Tráfico Equivalente Para el diseño de la estructura de pavimento, el tráfico se caracteriza por el número equivalente de ejes de referencia NE. Este corresponde al número de vehículos pesados acumulados en la vida útil inicial utilizada multiplicados en cada caso por un coeficiente de agresividad media del tráfico (CAM) . El eje de referencia es un eje con ruedas gemelas cuya carga es de 130 kN. La carga se supone uniformemente repartida en dos huellas circulares.

Las clases de tráfico utilizadas en este manual se pueden definir por el número de vehículos pesados que pasan por la vía durante su vida útil. Las clases adoptadas se referencian en la Tabla C.1.

Tabla C.1: Definición de clases de tráfico CLASE DE TRÁFICO

T1 T2 T3 T4 T5

NÚMERO DE NÚMERO ACUMULADO VEHÍCULOS PESADOS DE VEHÍCULOS POR DÍA PROMEDIO PESADOS 5 N £ 5*10 VP/día £50 5 6 5*10 < N £ 1.5*10 50 < VP/día £150 1.5*106 < N £ 4 *106 4*106 < N £ 1.0*107 1.0*107 < N £ 2.0*107

150 < VP/día £ 300 300 < VP/día £ 750 750 < VP/día £ 2000

La clase de tráfico correspondiente a una vía en particular se determina calculando el número acumulado de vehículos pesados tal como se indica en el literal B.4.4.4 del RSV-2000. C.1.2 DISPERSIÓN Y PROBABILIDAD DE FALLA Considerar una probabilidad de falla tiene como finalidad tratar de tener en cuenta el carácter aleatorio del comportamiento de la estructura del pavimento. En efecto es facil constatar que: • El espesor de una capa de pavimento nunca es constante. •

Las propiedades mecánicas de los materiales tienen una cierta dispersión intrínseca debida a factores tales como la dispersión de la curva granulométrica, las variaciones del porcentaje de ligante, las variaciones de densidad, etc.

• El mecanismo de falla in situ no es rigurosamente idéntico al de una muestra de laboratorio.

Se puede asumir que el conjunto de las dispersiones obedece a una ley normal centrada. De este modo la probabilidad de falla Pf es la integral de la parte sombreada en la Figura C1. En ésta, u es el fractil de la ley normal centrada el cual está directamente ligado al riesgo y se expresa en función de la desviación estándar:

Pf% u

Tabla C.2: Fractil de la ley normal centrada 50 30 25 20 12 10 0 -0.52 -0.67 -0.84 -1.17 -1.28

5 -1.65

2 -2.05

La dispersión total está dada por una variable aleatoria que combina la dispersión encontrada en los ensayos de fatiga en el laboratorio y la dispersión de los espesores de las capas in situ. Su desviación estándar δ, está dada por la ecuación: δ= σ

2 N

C  +σ   b

2

2 Η

en donde: • σN es la desviación estándar de la ley de fatiga expresada en logaritmo decimal del número de ciclos. Dependiendo del material y ante la falta de información específica, se pueden tomar los valores dados en la Tabla C. 3 Tabla C3: Desviación estándar de la ley de fatiga MATERIAL σN Granular - Ligante Asfaltico Granular - Ligante Hidráulico Arena - Ligante Hidráulico Suelo - Cemento

0.3 1.0 0.8 0.8

• σH es la desviación estándar de los espesores de material colocado in situ. A falta de información específica se pueden tomar los valores dados en la Tabla C.4

Tabla C.4: Desviación estándar de los espesores de las capas. MATERIAL RANGO DE ESPESORES σH Granular - Ligante Asfaltico 12 a 20 cm. 2.5 a 3 cm. Granular - Ligante Hidráulico 15 a 25 cm. 3 cm. Concreto Asfáltico 6 a 8 cm. 1 cm. Arena - Ligante Hidráulico 15 a 25 cm. 2.5 cm. • C es un coeficiente dimensional que depende del material considerado y varía entre 0.015 y 0.04. Para los cálculos se sugiere tomar C =0.02 independientemente del material (para valores de σH dados en cm). • b es la pendiente de la ley de fatiga del material considerado en escala bilogarítmica. El valor de probabilidad de falla en los P años de vida útil inicial está íntimamente ligado al riesgo de aparición de daños en el pavimento. Por tal motivo su escogencia depende principalmente del objetivo económico que se busca con la construcción de la vía. De este modo es posible introducir un factor de seguridad en el cálculo de tal manera que las vías estratégicas tengan una baja probabilidad de falla y las menos importantes una probabilidad de falla algo más alta con el beneficio económico correspondiente. Se sugiere adoptar las probabilidades de falla indicadas en la Tabla C.5 en función del tráfico esperado y del material. Tabla C.5: Probabilidades de falla en función del tráfico y del material. TRÁFICO T1 T2 T3 T4 T5

PROBABILIDAD DE FALLA Pf% MATERIAL CON MATERIAL CON LIGANTE ASFÁLTICO LIGANTE HIDRÁULICO 45 25 35 20 25 15 10 10 5 5

C.1.3 DATOS CLIMÁTICOS Y DEL AMBIENTE Entre las condiciones climáticas se debe tener en cuenta la abundancia de las precipitaciones, los drenajes previstos en la vía y los valores extremos de temperatura. Particularmente en los pavimentos tratados con ligantes asfálticos, la durabilidad y la deformabilidad dependen de la temperatura, de la deformabilidad de las capas granulares y del estado hídrico de la subrasante. C.1.4 CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS QUE INTERVIENEN EL DISEÑO RACIONAL DE PAVIMENTOS Parámetros Descriptivos del Suelo de la Plataforma Soporte del Pavimento Para el cálculo de las solicitaciones en el pavimento inducidas por el eje de referencia, la plataforma se supone como un medio elástico lineal definido por el módulo elástico y la relación de Poisson. La relación de Poisson se tomará igual a 0.35 en los suelos de fácil drenaje o parcialmente saturados y 0.5 en los suelos finos saturados. En lo que se refiere al diseño de las capas del pavimento, los diferentes tipos de plataforma se diferencian por los valores de capacidad portante a largo plazo. Los valores adoptados para los módulos son los indicados en el Título B de este manual. En el caso de los pavimentos flexibles, el cuerpo del pavimento debe diseñarse para evitar el ahuellamiento de la plataforma por acumulación de deformaciones plásticas. Para este efecto se deberá verificar la deformación vertical en la plataforma. Las expresiones que pueden utilizarse son las indicadas en la Tabla C.6.

Tabla C.6: Determinación de deformaciones verticales de la subrasante PAVIMENTOS CON TRÁFICO BAJO (T1 Y T2) εz = 0.01 (NE)-0.222 PAVIMENTOS CON TRÁFICO MEDIO A FUERTE (T3 a T5)

εz = 0.012 (NE)-0.222

Donde: εz es la deformación vertical admisible en la subrasante. NE es el número de repeticiones de carga correspondientes a un eje equivalente. Parámetros Descriptivos de las Capas de Pavimento Las características mecánicas de los materiales utilizados en las diferentes capas de pavimento son el módulo elástico, la relación Poisson y la ley de fatiga. Estos parámetros pueden intervenir de manera diferente según se trate de un material no tratado, de uno tratado con ligantes asfálticos o uno tratado con ligantes hidráulicos. Los valores de estos parámetros se miden mediante ensayos de laboratorio. a) Capas Granulares no Tratadas El comportamiento reversible de una capa granular depende del módulo elástico y de la relación de Poisson. El módulo elástico de las capas granulares depende del esfuerzo de confinamiento reinante a una profundidad dada. Puesto que el valor del módulo de las capas granulares es un parámetro básico en el diseño racional, se sugiere determinarlo experimentalmente en el laboratorio para cada valor de esfuerzo de confinamiento y esfuerzo vertical. La medida de este módulo se realizará mediante un aparato triaxial cíclico capaz de realizar medidas sobre muestras con tamaño de 15 cm de diámetro y 30 cm de altura. Puesto que el esfuerzo de confinamiento depende de la rigidez de la capa subyacente frecuentemente el módulo de la capa granular se calcula con base en el módulo de la capa inmediatamente inferior. En ausencia de resultados experimentales y para efectos de un predimensionamiento se sugiere utilizar las relaciones dadas en la Tabla C.7. A falta de ensayos o valores particulares para cada tipo de material, la relación de Poisson se supondrá igual a 0.35

Consideraciones sobre el Ahuellamiento En el caso de pavimentos flexibles compuestos por una capa de rodadura de pequeño espesor colocada sobre una capa granular no tratada no es necesario verificar el ahuellamiento. Tabla C.7: Módulo para capas granulares no tratadas PAVIMENTOS CON TRÁFICO BAJO (T1 A T3) CAPA DE BASE

CAPA DE SUB BASE (subdividida en sub capas de 25 cm de espesor de abajo hacia arriba)

Categoría 1: E = 600 MPa1 Categoría 2: E = 400 MPa1 Categoría 3: E = 200 MPa1 E(1)=K Esub E(i)=K E(i-1) K depende del tipo de material Material K

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