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• Joe Owen Ticahuanca

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UNIVERSIDAD PRIVADA DE TACNA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

METODOS Y SOWTWARE PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS Y FLEXIBLES

CURSO

: PAVIMENTOS

DOCENTE

: ING. MAQUERA CRUZ PEDRO VALERIO

INTEGRANTES

: -

TICAHUANCA MAMANI, JOEL ZAVALA QUISPE, JORDAN SERRUTO SALAS, ARTURO REY CAHUANA ALAVE, JAVIER PEDRO LLANQUE NINA, MARIA ELENA ALAY GALDOS, EDWIN BALDIMIR

TACNA – PERÚ

METODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS | CURSO DE PAVIMENTOS

INDICE Contenido INDICE............................................................................................................................................ 2 1.

Introducción .......................................................................................................................... 3

2.

Objetivos ............................................................................................................................... 4

3.

Marco Teórico ....................................................................................................................... 5 3.1.

Métodos para el diseño de pavimentos........................................................................ 5

3.1.1.

Métodos del Instituto de Asfalto de los Estados Unidos de Norteamerica .......... 5

3.1.2.

Método de diseño AASTHO ................................................................................. 12

3.1.3.

Método ................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

3.1.4.

Método ................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

3.1.5.

Método ................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

3.2.

SOWTWARE PAR EL DISEÑO DE PAVIMENTOS ........................................................... 29

3.2.1.

MANEJO DEL SOFTWARE “ECUACION AASHTO 93” ............................................ 29

3.2.2.

El Dispav-5 ........................................................................................................... 39

3.2.3.

SOFTWARE........................................................................................................... 40

3.2.4.

SOFTWARE........................................................................................................... 42

3.2.5.

SOFTWARE........................................................................................................... 43

4.

Conclusiones........................................................................................................................ 43

5.

Recomendaciones ............................................................................................................... 43

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1. Introducción El estado de la infraestructura vial de nuestro país incide en gran medida en su nivel de desarrollo, puesto que al tener vías en buen estado se mejora la transitabilidad, costos de operación, comunicaciones y transporte en general, es por ello, que en primer lugar, debemos apuntarle a realizar diseños de estructura de pavimentos que cumplan con las solicitaciones requeridas para determinada vía, con un costo razonable, y garantizando un aceptable índice de serviciabilidad durante la vida de servicio estimada.

Sin embargo, se reconoce que por los avances en la tecnología de los pavimentos asfálticos, se requieren más conocimientos sobre las propiedades de los materiales para las necesidades actuales de los sistemas carreteros, por lo que el método vigente, probablemente requiera revisión e implementación futuras.

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2. Objetivos -

Conocer y familiarizarse con los principales métodos de diseño de los pavimentos. Analizar información existente requerida para el desarrollo del diseño. Diseñar las estructuras de pavimento flexible y rígido bajo los métodos propuestos.

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METODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS | CURSO DE PAVIMENTOS 3. Marco Teórico 3.1. Métodos para el diseño de pavimentos 3.1.1. Métodos del Instituto de Asfalto de los Estados Unidos de Norteamerica Este método está basado en el establecimiento de un límite de deflexión a la estructura del pavimento, el cual es función del número e intensidad de aplicaciones de carga. El primer paso para la aplicación del método del Instituto Norteamericano del Asfalto consiste en determinar el número de tránsito para el periodo de diseño. Por otro lado, el método permite el empleo de concreto asfáltico o emulsiones asfálticas en la totalidad o en parte de la estructura del pavimento, e incluye varias combinaciones de capa de rodadura y bases de concreto asfáltico; de capa de rodadura y bases con emulsiones asfálticas, así como capas de rodadura asfáltica con base y sub-base granulares. También considera al pavimento como un sistema elástico de varias capas y para su análisis emplea conceptos teóricos, experimentales y corridas de programa de cómputo, sin embargo con el objeto de simplificar el método, el Instituto de Asfalto propone una serie de ábacos que permiten la aplicación del método en forma rápida y sencilla. A) CRITERIOS DE DISEÑO Mediante esta metodología, se asume que las cargas en la superficie del pavimento producen 2 deformaciones que son consideradas críticas para el diseño. Estas deformaciones unitarias son: -

-

La deformación horizontal de tensión Et en el fondo de la capa asfáltica más profunda, ya sea que se trate de concreto asfáltico o de una capa tratada con asfalto emulsificador. La deformación vertical de compresión Ec, en la parte superior de la capa de sub-rasante.

Si ET es excesiva, se producirán fisuras en la capa asfáltica mientras que si EC es excesiva, se producirán deformaciones permanentes en la superficie del pavimento.

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Debido a la heterogeneidad de vehículos existentes, se debe primero analizar cada eje del vehículo a fin de encontrar la incidencia de carga que cada uno produce (factor de equivalencia de carga). Como ejemplo para la realidad nacional, un vehículo liviano con ejes simples se conforma de la siguiente manera: el eje delantero con una carga bruta de 2000 lb; el eje trasero con 4000 lb (Según EMAPE). Su conversión a ejes simples es de 0.00018 y 0.00209 respectivamente. Estos valores son altos para un vehículo ligero promedio. Sin embargo, se toma el caso más desfavorable debido a que ellos se encuentran conformados por autos, camionetas y furgonetas. Cada eje puede llevar en sus extremos un neumático, en cuyo caso se designa como neumático simple, o dos neumáticos, en cuyo caso se designa como neumáticos gemelos o duales. Los tipos de ejes legalmente reconocidos son: Eje simple: un único eje. Eje tándem: grupo de dos ejes sucesivos cuya distancia entre centros es menor a 2 metros. Eje tridem: grupo de tres ejes sucesivos cuya distancia entre centros es menor a 2 metros. B) CARRIL DE DISEÑO Para calles y carreteras de 2 carriles, el carril de diseño puede ser cualquiera de los carriles de la vía, mientras que para calles y carreteras de carriles múltiples, generalmente es el carril externo. Entonces para el cálculo del porcentaje de camiones en el flujo vehicular sobre el carril de diseño, el actual método recomienda los siguientes valores:

La conversión de cualquier carga y/o combinación de ejes y de neumáticos en un número total de pasadas del eje estándar.

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C) PERIODO DE DISEÑO Y TASA DE CRECIMIENTO ANUAL Se presenta la relación entre la tasa de crecimiento anual. Afectando el índice medio diario anual por la taza de crecimiento se estima el crecimiento del volumen vehicular proyectado para los años que se diseñó el pavimento.

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La tasa de crecimiento para diferentes tipos de vehículos puede ser estimada variando el crecimiento normal entre 3 y 5% por año. No obstante, carreteras nuevas o nuevos desarrollos pueden generar incrementos de mayor magnitud, los cuales pueden alcanzar valores de hasta 10%. D) ÁREA DE CONTACTO Y PRESIÓN DE NEUMÁTICO Es sabido que la carga puede causar más daño si la presión del neumático es alta (por la menor área de contacto). Tener en cuenta pues, que la presión del neumático no siempre es igual a la presión de contacto. En la versión actual, el método incorpora factores de ajuste de los ejes equivalentes de diseño, para diferentes presiones de contacto de las llantas sobre el pavimento, en función de su presión de inflado y de los espesores de la carpeta asfáltica, donde contempla desde cuatro hasta diez pulgadas de espesor.

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E) ESTIMACIÓN DEL TRÁFICO VEHÍCULAR Para obtener el índice medio diario o tráfico diario promedio, es necesario contar con una estación de control, la cual recoja los diferentes datos del volumen vehicular a fin de agruparlos por categorías según las normas propuestas para cada país. Ya teniendo esa información se afecta cada grupo vehicular por un factor de equivalencia de carga. El número de repeticiones para producir igual daño se basa en factores de equivalencia entre la carga real (volumen vehicular) y la carga estándar (eje simple 18,000lb).

F) EVALUACIÓN DE MATERIALES Para el diseño de los espesores de una sección estructural del pavimento flexible, el método actual del Instituto del Asfalto, considera como parámetro fundamental, dentro de la evaluación de los materiales, la obtención del Módulo de Resilencia (Mr) de la subrasante. Sin embargo, reconocen que no 9

METODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS | CURSO DE PAVIMENTOS todos los organismos tienen el equipo adecuado para llevar a cabo tal prueba, por lo que han establecido factores de correlación entre Mr y la prueba estándar de Valor Relativo de Soporte CBR .Señalan que los resultados son bastante aproximados; sin embargo, para un diseño preciso, se recomienda llevar a cabo la prueba del Módulo de Resiliencia para la sub-rasante. Factores recomendados de correlación:

Las ecuaciones anteriores están expresadas en unidades (psi). G) RESTRICCIÓNES DE TIEMPO Un pavimento debe ser diseñado para soportar los efectos acumulados del tránsito para cualquier período de tiempo. El período seleccionado que dura el pavimento antes que requiera rehabilitación, se define como “Período de Diseño”. Al término de éste, se espera que el pavimento requiera alguna rehabilitación mayor, como puede ser una sobrecarpeta de refuerzo para restaurar su condición original. Luego de la primera intervención la vida útil del pavimento, o “Período de Análisis”, puede ser extendida indefinidamente, a través de mejoramientos sucesivos de rehabilitación, hasta que el pavimento sea obsoleto por cambios significativos en pendientes, alineamiento geométrico y otros factores. En función del tránsito esperado sobre el pavimento en estudio, el método del Instituto del Asfalto recomienda los siguientes valores percentiles para calcular el Módulo de Resiliencia de diseño de la capa subrasante.

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METODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS | CURSO DE PAVIMENTOS Con las muestras de material obtenidas en el campo y con los resultados obtenidos en el laboratorio para determinar sus Módulos de Resiliencia, se deberá calcular el Mr de diseño de la capa subrasante, con los percentiles sugeridos en la tabla anterior. Para los requerimientos de compactación en las capas de base y subbase, el actual método proporciona las siguientes recomendaciones: Capas de base y subbase formadas con materiales granulares sin tratamiento, esto es, no estabilizadas, deberán compactarse con un contenido de humedad óptimo más menos 1.5 puntos en porcentaje, para alcanzar una densidad mínima del 100% de la densidad máxima de laboratorio. Así mismo, recomienda los siguientes valores para las diferentes pruebas a realizarse con materiales de bases y subbases.

H) PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Las bases estabilizadas con emulsiones asfálticas corresponden a tres tipos de mezcla, según la clase de agregados utilizados, se tiene: Tipo I: Mezcla elaborada con agregados procesados de gradación densa. - Tipo II: Mezcla elaborada con agregados semi-procesados. - Tipo III: Mezcla elaborada con arenas o arenas limosas. En cuanto a requerimientos de espesores mínimos, en función del nivel de tránsito en ejes equivalentes, el método recomienda los siguientes valores:  Para superficies de concreto asfáltico construidas sobre bases estabilizadas con emulsión asfáltica:

 Para superficies de concreto asfáltico construido sobre bases granulares sin estabilizar:

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Para pavimentos con espesor pleno de concreto asfáltico o con base estabilizada con emulsión asfáltica, se requiere un espesor mínimo de 10cm. El método más reciente del Instituto del Asfalto, proporciona para el diseño final de los espesores, 18 cartas de diseño en sistema métrico y 18 en sistema inglés. I)

FACTORES AMBIENTALES Es importante hacer notar que el método contempla factores de medio ambiente y varios tipos o clases de asfalto según las necesidades particulares del diseño. A continuación ver la tabla.

J) 3.1.2. Método de diseño AASTHO El método AASHTO-1993 para el diseño de pavimentos flexibles, se basa primordialmente en identificar un “número estructural (SN)” para el pavimento, que pueda soportar el nivel de carga solicitado. Para determinar el número estructural, el método se apoya en una ecuación que relaciona los coeficientes, con sus respectivos números estructurales, los cuales se calculan con ayuda de un software, (AASHTO 93) el cual requiere unos datos de entrada como son el número de ejes equivalentes, el rango de serviciabilidad, la confiabilidad y el módulo resiliente de la capa a analizar. A) VARIABLES DE DISEÑO DE METODO -

TRANSITO El establecimiento de los espesores mediante este método, se fundamenta en la determinación de las cargas equivalentes acumuladas para el periodo de diseño. 12

METODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS | CURSO DE PAVIMENTOS Se debe hacer un estudio detallado de transito que contenga la composición vehicular, tránsito promedio anual, el factor camión, el transito acumulado en número de ejes. B) SERVICIABILIDAD Es la condición necesaria de un pavimento para proveer los Usuarios un manejo seguro y confortable en un determinado momento.

INDICE DE SERVICIO INICIAL: Es el valor de servicio de un pavimento recién construido o rehabilitado, los valores usuales son 4.2 para pavimentos flexibles y 4.5 para pavimento rígido. INDICE DE SERVICIO TERMINAL: Es el valor mínimo del índice de servicio que puede ser aceptado para un pavimento dado los valores usuales están entre 1.5 para vías de muy baja importancia y de 2.5 a 3.0 para vías arterias. C) PERDIDA O DISMINUCIÓN DEL INDICE SERVICIABILIDAD Los valores anteriormente descritos nos permiten determinar la disminución del índice de servicio, que representa una pérdida gradual de la calidad de servicio de la carretera, originada por el deterioro del pavimento. Por tanto: 𝛥𝑃𝑆𝐼 = 𝑝𝑜– 𝑝t Donde: 𝑃𝑆𝐼 = Í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑒 ∆𝑃𝑆𝐼 = 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑜𝑠 í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑦 𝑒𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑜. 𝑝𝑜 = Í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑝𝑡 = Í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 D) CONFIABILIDAD Hace referencia al grado de certidumbre o seguridad de una determinada alternativa de diseño, determinando así la probabilidad de que el pavimento pueda soportar el número de repeticiones de la carga que sea aplicada durante su vida útil.

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METODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS | CURSO DE PAVIMENTOS A medida que se escoja un R (nivel de confiabilidad) mayor, serán necesarios espesores más grandes.

E) DESVIACIÓN ESTANDAR DEL SISTEMA El valor de la desviación estándar (So) que se seleccione debe, por otra parte, ser representativo de las condiciones locales. Se recomienda para uso general, pero estos valores pueden ser ajustados en función de la experiencia para uso local.

F) MODULO RESILIENTE Mr

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METODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS | CURSO DE PAVIMENTOS Es el módulo Resiliente promedio que se traduce en un daño del pavimento (Uf) igual al que se alcanzaría si se usaran valores modulares estacionales.

G) MODOLO RESILIENTE PARA SUBRASANTE Para materiales de sub-rasante con CBR ≤ 7,2%. MR = 1.500* CBR. Para materiales de sub-rasante con mayo de 7,2% ≤ CBR ≤ 20,0%. MR = 3.000 * (CBR)^0.65 Para materiales de sub-rasante con valores de CBR ≥ 20,0%, se deberán emplear otras formas de correlación, tal como la recomendada por la propia Guía de Diseño AASHTO-93. H) MODULO RESILIENTE PARA LA SUB-BASE, BASE Y CONCRETO ASFALTICO Se toman los valores de CBR de la base y sub-base según las especificaciones de la tabla 300.1 del artículo 300 – 07: disposiciones generales para la ejecución de afirmados, subbases granulares y bases granulares y estabilizadas (INSTITUTO NACIONAL DE VIAS) y se establece el módulo resiliente por medio de los siguientes ábacos.

|

Según la Ilustración 1, El coeficiente estructural de la carpeta asfáltica a1, usado para el desarrollo de este ejercicio es 0.44.

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I)

COEFICIENTES ESTRUCTURALES Para materiales y/o mezclas de sub-base y bases no tratadas: Método de ensayo AASHTO T-274, el cual permite determinar el valor del módulo de elasticidad dinámico. Para mezclas asfálticas y suelos estabilizados: Métodos de ensayo ASTM D4123 ó ASTM C469, que permiten determinar el valor del módulo elástico. No obstante, se puede usar una serie de ábacos, que se encuentran en AASTHO 1993. Los valores promedio para los coeficientes estructurales son:

• • •

Mezcla asfáltica densa en caliente: Base granular: Sub-base granular:

0.44 pulgadas 0.14 pulgadas 0.11 pulgadas 16

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J)

DRENAJE El valor de este coeficiente depende de dos parámetros: la capacidad del drenaje, que se determina de acuerdo al tiempo que tarda el agua en ser evacuada del pavimento, y el porcentaje de tiempo durante el cual el pavimento está expuesto a niveles de humedad próximos a la saturación, en el transcurso del año. Dicho porcentaje depende de la precipitación media anual y de las condiciones de drenaje, la AASHTO define cinco capacidades de drenaje, que se muestran en la siguiente tabla:

K) NÚMERO ESTRUCTURAL El diseño de pavimentos flexibles, se basa primordialmente en identificar un “número estructural (SN)” para el pavimento, que pueda soportar el nivel de carga solicitado. Para determinar el número estructural, el método se apoya en una ecuación que relaciona los coeficientes, con sus respectivos números estructurales, los cuales se calculan con ayuda de un software, (AASHTO 93) el cual requiere unos datos de entrada como son el número de ejes equivalentes, el rango de serviciabilidad, la confiabilidad y el módulo resiliente de la capa a analizar; esta ecuación se relaciona a continuación: 𝑆𝑁 = 𝑎1𝐷1 + 𝑎2𝐷2𝑚2 + 𝑎3𝐷3𝑚3 17

METODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS | CURSO DE PAVIMENTOS 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒: 𝑎 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑙 𝐷 = 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑒𝑛 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑚 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑟𝑒𝑛𝑎𝑗𝑒

L) APLICAIÓN Para este ejemplo aplicativo se suponen algunos valores iniciales, como los de los numerales 2, 3, y 4.1 que corresponden a estudios de suelos y tránsito. Se diseñará el pavimento flexible en una arteria principal en zona rural, se tomará el valor de 58.200.000 ejes equivalentes para un diseño a 15 años, con un valor de CBR de 4.23 A continuación, se muestran todos los datos extraídos de tablas, ábacos encontrados en el documento. INDICE DE SERVICIO

4.2

INICIAL Po INDICE DE SERVICIO

2.5

PARA PAVIMENTO FLEX PARA VIAS

TERMINAL Pt CONFIABILIDAD

85%

CARACTERISTICAS DE

CBR%

ARTERIAS PARA UNA ARTERIA PRINCIPAL EN AREA RURAL 4.23

SUB-RAZANTE CARACTERISTICAS DE SUB

CBR%

30

SEGÚN TABLA 300

80

ESPECIFICACION INVIAS SEGÚN TABLA 300

BASE CARACTERISTICAS DE

CBR%

BASE DRENAJE LLUVIA NORMAL

ESPECIFICACION INVIAS 1.00-0.80

16.67

2 MESES % INDICE DE

5

SERVICIO PSI

1.7

Zr

-1.037

So

0.4

CARACTERISTICAS DE MATERIALES POR TABLAS 18

METODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS | CURSO DE PAVIMENTOS MATERIAL

CONCRETO ASFALTCO BASE GRANULAR SUB BASE GRANULAR SUBRASANTE

MR

COEFICIENTE

COEFICIENTE

MODULO

ESTRUCTURAL

DE DRENAJE

RESILIENTE

(a)

(m)

(PSI) 450000

0.44

0

28000

0.13

0.8

14000

0.11

0.8

6345

0

M) 3.1.3. Métodos empíricos de diseño Invias 98 Contiene un catálogo de estructuras definido con bases en el método AASHTO-93

El catálogo de diseño cubre los tipos de pavimentos y materiales usados actualmente en la práctica local e incluye nuevas tipologías de eficiencia demostrada en otros países con características similares a las colombianas.

El método considera factores ambientales, de suelos, de tránsito y de disponibilidad de materiales, acordes con la realidad colombiana.

A) Regiones Climáticas El país se dividió en seis regiones climáticas, con base en la temperatura y la precipitación media anual.

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METODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS | CURSO DE PAVIMENTOS B) Resistencia de la Subrasante Se debe considerar el valor promedio de resistencia del suelo predominante en cada unidad homogénea y, a partir de él, se establece una categoría de la subrasante.

C) Tránsito de Diseño

Requisitos de Tránsito contemplados en la Guía de Diseño

D) Consideraciones Particulares de Diseño -

Se empleo la ecuación básica del Método AASHTO-93

-

Se adoptó S0=0.44, que corresponde a considerar la variación de la predicción del comportamiento del pavimento, sin errores en la estimación del transito

-

La posibilidad de errores en la predicción del tránsito se incorpora con la expresión (100.05∗𝑍𝑅 ∗ 𝑁)

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METODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS | CURSO DE PAVIMENTOS -

Se consideró una pérdida de serviciabilidad de 2.2 durante el periodo de diseño del pavimento.

-

Se adoptaron coeficientes estructurales de capa ajustados a los resultados de experiencias realizadas en el país.

-

Se adoptaron 3 coeficientes de drenaje para las capas granulares (mi=1.0 si la precipitación