1.8._Guía_de_diseño_de_pavimentos_subrasantes_blandas_ con_geotextiles

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Guía de Diseño de Pavimentos y Estabilización Mecánica de Subrasantes Blandas Compresibles con Geotextiles de alto módulo Fortex®

El presente documento documento está basado en el artícul artículo o “Diseño De Estructur Es tructuras as Granulares Granulares Para P ara Pavimen Pavimentos tos Reforzados Reforzados Con Geosintét Geosintéticos” icos” presentad presentado o en el XV Simposio imposio Colom C olombiano biano sobre Ingenie Ingeniería ría de Pavim P aviment entos os realizado por la Universidad J averiana averiana en Marzo de 2005.

1.

Alcance

2.

Enfoque

A continuación se presentan los lineamientos para

El geotextil de alto módulo Fortex al colocarse

el diseño de subestructuras granulares reforzadas

directamente sobre la subrasante, revistiendo el

®

con geotextiles de alto módulo FORTEX , las

fondo de la estructura de pavimento, se comporta

cuales pueden emplearse como capas para

como una membrana cóncava hacia arriba que

mejoramiento

blandas

cubre una gran área y se tensiona por acción de la

compresibles ó como capas de subbase granular

sobrecarga del material de construcción, de los

en estructuras de pavimentos flexibles, rígidos o

vehículos y ante la compresibilidad del suelo de

articulados para todo tipo de vías, aeropuertos,

subrasante. Al deformarse esta membrana, se

caminos temporales o definitivos, locaciones,

generan tensiones sobre su plano que resultan en

alamedas, senderos peatonales, ciclorrutas, etc.

una reacción de sentido contrario a la sobrecarga

de

subrasantes

que se le impone al pavimento, disminuyendo el Dado el alto módulo de deformación de los ®

valor real aplicado a la subrasante. Lo anterior

geotextiles de alto módulo FORTEX su aporte se

significa reducción en la deformación resiliente del

cuantifica como un espesor equivalente de

conjunto conjunto subrasant subrasante e – geotextil geotextil – capa granular,

material granular, generando soluciones que

disminución de la deformación permanente y

implican una reducción en el espesor de material

aumento general de la capacidad de soporte, lo

granular requerido, un comportamiento mecánico

cual es proporcional al módulo o resistencia del

estable a lo largo del tiempo por la alta alta durabilidad

geosintético seleccionado.

del

geotextil

frente

a

otros

materiales

de

construcción y control de las deformaciones a largo plazo debido al bajo creep que este presenta.

3.

Secuencia para el Diseño

Adicionalmente, el geotextil aporta en cuanto a

A continuación se presenta la secuencia para el

separación entre materiales, filtro y refuerzo del

diseño, teniendo en cuenta que las capas

conjunto subrasante – granulares.

resultantes pueden considerarse como el espesor

Guía para para el Diseño de pavi mentos y Estabilización Estabilización de Subrasantes con Geotextiles de Alto MóduloFortex

Pág. 1


total de la estructura granular en caminos de bajo tránsito o como capas de subbase o capas de mejoramiento de subrasante en carreteras de alta especificación.

Guía para el Diseño de pavi mentos y Estabilización de Subrasantes con Geotextiles de Alto MóduloFortex

Pág. 2


3.1.

Diseño para Condición de Carga Cuasi-estática (Capas de Mejoramiento de Subrasante o Carreteras de Bajo Tránsito)

1. Definición del tipo de estructura según el proyecto Determinar si se trata de una capa de mejoramiento de subrasante o un pavimento para una carretera de bajo tránsito

EJEMPLO Supongamos el caso de una carretera sobre un suelo blando compresible con los siguientes valores de los parámetros de diseño:

2. Determinación de los parámetros de diseño Tránsito:

Para el diseño de pavimento se establecieron dos etapas, la fase constructiva y la fase de operación. Para el análisis de la estabilización de la subrasante se considera el tránsito de construcción (N c) y para la condición de operación el tránsito para el periodo de servicio de la vía (N).

El pavimento se proyecta para un N de 1.0 E +06 ejes equivalentes acumulados en un período de servicio de 10 años Para la etapa de construcción se prevé el movimiento de 4000 m3 para cada tramo de construcción en volquetas de eje simple con capacidad para 4 m 3. Considerando dos pasadas por volqueta, se tienen aproximadamente 2000 repeticiones de carga. (Por facilidad de cálculo se supone que cada volqueta aplica una carga estándar de 8.2 ton) N c = 2000 E

Capacidad de sopor te de la subr asante

Es la resistencia del suelo de subrasante medida en términos de CBR (California Bearing Ratio) o intercepto de cohesión medido en la prueba de resistencia a la compresión inconfinada C u.

La capacidad de soporte de la subrasante CBR es de 1.0%

3. Nivel de ahuellamiento tolerable (parámetro r) El parámetro r se ilustra en la carta de diseño, Figura 1. El valor de este parámetro corresponde a la Dado que se trata de una la capa de mejoramiento deformación tolerable máxima de todo el sistema. El cuyo servicio al tráfico será temporal, se estima un valor r corresponde a la longitud entre el punto más valor de r de 0.18 m (ahuellamiento s = 0.09 m) bajo entre las huellas o roderas de los vehículos y el punto más alto entre ellas; para efectos prácticos r corresponde a dos veces la profundidad de la huella. En la Figura 1 se presenta la carta de diseño para r =0.18 m (Ahuellamiento s =0.09m). 4. Determinar el espesor de material granular h´0 Es el espesor que requiere la estructura en condición no reforzada. Se determina en función del tránsito N c para el nivel de deformación r previsto.

Utilizando la carta de diseño para r=0.18 (ver Figura 1) y para el valor considerado del tránsito de construcción se establece que h´ 0 = 0.56 m.


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5. Seleccionar el tipo de geosintético a utilizar Se recomienda utilizar el siguiente criterio: CBR

Geotextil

< 1.0

FORTEX BX 90

> 1.0

FORTEX BX 60

®

Dado que el CBR es de 1.0% se recomienda ® utilizar geotextil FORTEX BX 60

®

Nota: el diseñador puede elegir varios materiales

para hacer un análisis económico y determinar con cual de ellos logra mejores resultados. 6. Determinar la reducción de espesor ΔH Es el espesor de material granular que se ahorra al considerar el aporte del geotextil. Este valor se denomina ΔH y se lee del mismo ábaco 7. Determinar el espesor de material granular en la condición reforzada h´ Se determina como la diferencia entre h´0 y ΔH. 8. Resultado El resultado se presenta haciendo una comparación de espesores entre la condición no reforzada y la condición reforzada

Utilizando la misma carta de diseño (Figura 1) se ® establece que ΔH para FORTEX BX 60 = 25 cm

Para este caso h´0 - ΔH = 56 – 25 = 31 cm Para la condición no reforzada se requieren 56 cm de granulares, en tanto que para la condición ® reforzada con FORTEX BX 60 se requieren 31 cm, lo cual equivale a un ahorro de 25 cm de material granular. Resultado Final para una carretera de bajo tránsito Material granular 31 cm Geotextil Fortex BX 60 SUBRASANTE


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ESPESOR DE AGREGADO (h` 0) Y REDUCCIÓN DE ESPESORES ( DH) r = 0.180 m

1.0 0.9

2a

2a´

s

r

Posición inicial del geosintético

0.8

e

0.7 ) 0.6 m ( 0

h ) 0.5 m ( H

0.4

D

0.3

Nc =10,000 Nc =1,000

0.2 FORTEX® BX 90

Nc =100

0.1 FORTEX® BX 60

Nc =10

0.0 0

1

0

30

2 60

3 90

=10 CBRN(%) 4

Cu (kPa)

120

Figura 1. Carta de diseño para r = 0.18 m. FORTEX®


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3.2.

Valoración de la Solución para Pavimentos de Alto Tránsito. Método Aashto 93

Dado que la metodología de diseño de capas de mejoramiento de subrasante con geotextiles de alto módulo Fortex, garantiza la suficiencia de la capa para soportar cierto número de repeticiones de carga, esta condición puede ser valorada mediante el coeficiente de aporte estructural A a establecido en el método de diseño AASHTO – 93, el cual dimensiona la capacidad de cada capa como componente estructural a fin de alcanzar en suma el Número Estructural SN requerido para las condiciones de CBR, serviciabilidad y tránsito previsto. A continuación se presenta la secuencia para la valoración estructural del arreglo geotextil de alto módulo Fortex – capa granular diseñada.


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1. Verificar que el espesor de la capa granular cumpla con los siguientes criterios de espesores mínimos: Capas reforzadas con geotextiles FORTEX® CBR (%) 0.25 0.50 1.00 1.50 2.00 3.00

Espesor mínimo de la capa reforzada (cm) 50 40 30 25 22 18

SN máx 2.854 2.169 1.646 1.373 1.216 0.999

2. Determinar el SN requerido Determinar de acuerdo con los criterios de Nivel de Confiabilidad R, Desviación Estándar So, Nivel de serviciabilidad inicial pi, y Pérdida de serviciabilidad Δpsi.

EJEMPLO Para el caso en análisis, el espesor obtenido de la ® capa reforzada con geotextil FORTEX BX 60 fue de 31 cm para un CBR de 1.0%, mayor a los 30 que se indican en la guía.

Para el presente ejemplo se han supuesto: R : 90% So : 0.45 pi: 4.2 Δpsi : 2.2 Con base en lo anterior SN = 5.6

3. Colocar la capa reforzada con geotextil de alto módulo Fortex en la parte inferior de la estructura y asignar el valor de Aa Determinar según las Figuras 2 y verificar SN según el cuadro anterior 4. Colocar las demás capas del pavimento asignando los espesores, coeficientes de aporte estructural y coeficientes de drenaje necesarios para lograr el SN buscado 5. Presentación de resultados La solución usualmente se presenta haciendo un análisis comparativo entre la condición sin refuerzo y la condición con refuerzo geotextil de alto módulo Fortex

En la Figura 2 se obtiene un A a = 0.14 para 31 cm de capa de mejoramiento reforzada con geosintético sobre un CBR de 1.0%. El SN de la capa, calculado para un coeficiente de drenaje m = 0.95 es 1.623, menor al 1.646 que se indica en el cuadro del paso 1. En la Figura 4 se observa un cuadro con la memoria de cálculo del ejemplo.

En la Figura 3 se presenta un cuadro con la memoria de cálculo en la condición sin refuerzo

6. Análisis El análisis de costos debe considerar además de los costos directos del material, los ahorros por concepto de excavación y transporte de material a botadero, disminución de imprevistos (fallos), reducción del tiempo de construcción y mayor estabilidad de obra. 

Generalmente, todo proyecto vial considera el diseño de capas de mejoramiento de subrasante, dada la 

Para este caso, se tiene en siguiente análisis comparativo: Costo Unitario Costo total ($) ($) CA 2 250000 5000 BG 4 45000 1800 600 SBG 2 30000 7000 MEJ 25 28000 Ahorro a costo directo. No incluye ahorro por 14400 excavación y transporte a botadero capa

Ahorro (cm)


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variabilidad en las condiciones del suelo de subrasante a lo largo del corredor vial. Utilizando geotextil, con un solo material se logra separación y refuerzo, lo cual representa mayor facilidad de construcción, mejor desempeño estructural y funcional y mayor durabilidad del pavimento, a menores costos. 

Como se aprecia, el ahorro obtenido es importante. El costo del geotextil varía entre 2500 y 6500 $/m2, valor que llega cuando más al 44% del valor del ahorro indicado para este caso. El resultado final sería el presentado en la Figura 4


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Curvas de Aa Vs CBR para diferentes espesores de capas reforzadas con geotextiles de alto módul o Fortex (m) 0.25 0.20 0.15 a A

0.14

0.10 0.05 0.00 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

CBR %

h=0.20

h=0.22

h=0.25

h=0.30

h=0.40

h=0.50

®

Figura 1 Curvas de A a para el arreglo FORTEX – capa de material granular


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DISEÑO DE PAVIMENTOS MÉTODO AASHTO-93

CONDICIÓN SIN REFUERZO PARÁMETRO

VALOR

Tránsito R

1.00E+06 90

So ZR SN pi pt

0.45 -1.282 5.655 4.2 2.0

E RROR E STANDAR COMBINADO DE LAS P REDICCIONE S DE TRANSITO DESVIACION ESTANDAR NORMAL NUMERO ESTRUCTURAL COLOCADO SN =(ai*mi*hi) INDICE DE SERVICIO INICIAL INDICE DE SERVICIO FINAL

DPSI CBR MR Log(W18) (Ecuación) Log ( W18) a m

2.2 1.0 1,500 6.03 6.00

PERDIDA DE SERVICIABILIDAD FINAL (%) CBR DE LA SUBRASANTE (psi) MODULO RESILIENTE DE LA SUBRASANTE

NÚMERO DE EJ ES EQUIVALENTES ACUMULADOS DE 8.2 TON PARA EL P ERÍODO DE DISEÑO (%) CONFIABILIDAD

COEFICIENTE ESTRUCTURAL COEFICIENTE DE DRENAJ E

ESTRUCTURA Espesor

Material

cm

pulg

12.0 19.0 30.0 56.0

4.72 7.48 11.81 22.05

Rodadura Asf Base granular Subbase granular Mejoramiento T max 4" Subrasante

DE

P A VI M E N T O

Módulo Dinámico Kg/cm2

PSI

31,000 2,800 1,350 500 105

442,857 40,000 19,286 7,143 1,500

a

m

0.443 0.169 0.134 0.036

1.00 1.00 0.98 0.95

SN

2.093 1.264 1.548 0.750

5.655 3.562 2.299 0.750

117.0

N Nf

ANÁLISIS 1.00E+06 1.08E+06

NÚMERO DE APLICACIONES DE EJ ES EQUIVALENTES PREVISTOS QUE ACTUARÁN EN EL PER ÍODO DE DISEÑO NÚMERO DE APLICACIONES DE EJ ES EQUIVALENTES QUE SOPORTARÁ LA ESTRUCTURA

DISEÑO OK

Figura 2 Memoria de cálculo condición sin refuerzo geosintético


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DISEÑO DE PAVIMENTOS MÉTODO AASHTO-93

CONDICIÓN CON REFUERZO PARÁMETRO

VALOR

Tránsito R

1.00E+06 90

So ZR SN pi pt

0.45 -1.282 5.603 4.2 2.0

E RROR E STANDAR COMBINADO DE LAS P REDICCIONE S DE TRANSITO DESVIACION ESTANDAR NORMAL NUMERO ESTRUCTURAL COLOCADO SN =(ai*mi*hi) INDICE DE SERVICIO INICIAL INDICE DE SERVICIO FINAL

DPSI CBR MR Log(W18) (Ecuación) Log ( W18) a m

2.2 1.0 1,500 6.00 6.00

PERDIDA DE SERVICIABILIDAD FINAL (%) CBR DE LA SUBRASANTE (psi) MODULO RESILIENTE DE LA SUBRASANTE

NÚMERO DE EJ ES EQUIVALENTES ACUMULADOS DE 8.2 TON PARA EL P ERÍODO DE DISEÑO (%) CONFIABILIDAD

COEFICIENTE ESTRUCTURAL COEFICIENTE DE DRENAJ E

ESTRUCTURA Espesor

DE

Material

cm

pulg

10.0 15.0 28.0 31.0

3.94 5.91 11.02 12.20

Rodadura Asf Base granular Subbase granular Mejoramiento T max 4" Subrasante

P A VI M E N T O

Módulo Dinámico Kg/cm2

PSI

31,000 2,500 1,200

442,857 35,714 17,143

105

1,500

a

m

0.443 0.157 0.122 0.140

1.00 0.99 0.98 0.95

SN

1.745 0.916 1.319 1.623

5.603 3.859 2.943 1.623

84.0 Geotextil de alto módulo Fortex BX 60

N Nf

ANÁLISIS 1.00E+06 1.00E+06

NÚMERO DE APLICACIONES DE EJ ES EQUIVALENTES PREVISTOS QUE ACTUARÁN EN EL PER ÍODO DE DISEÑO NÚMERO DE APLICACIONES DE EJ ES EQUIVALENTES QUE SOPORTARÁ LA ESTRUCTURA

DISEÑO OK

Figura 3 Memoria de cálculo condició n con refuerzo geosintético


Pág. 11


4.

Conclusi ones y Recomendaciones

mecánico de éstas y la interacción suelo – estructura.

El



procedimiento

indicado

arroja

resultados que facilitan el análisis de la estructura

5.

Referencias

de pavimento tanto para la etapa de construcción como para la etapa de servicio. La determinación del espesor mínimo de material que se requiere colocar bajo condición de carga cuasi-estática pone a salvaguardo al suelo de subrasante ante fallas por capacidad portante debidas al peso de los equipos de construcción. Una vez construida, esta capa puede considerarse como el total o parte de la subbase granular, pudiendo acogerse en forma práctica métodos tradicionales de diseño de pavimentos para completar el dimensionamiento de la estructura. 

La presencia del geotextil de alto módulo

Fortex permite llevar el suelo de subrasante a un mayor nivel de esfuerzo y deformación, dado que se incorpora un refuerzo a tensión que el suelo por

[1] Giroud J .P., and Noiray, L. (1981) “Geotextile Reinforced Unpaved Roads Design,” J ournal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE , Vol 107, No GT9, pp 1233 – 1254 [2] Perkins, S.W. y Ismeik, M. (1997 a) “A Synthesis

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Vol. 4 No. 6, pp 605 – 621. [3] Bender, D.A. y Barenberg, E.J . (1978) “Design and Behavior of Soil-Fabric-Aggregate Systems”, Transportation Research Record

671,

TRB,

Washington, pp 64 – 75

si solo no resiste. 

El aporte del geotextil de alto módulo Fortex a

la estructura del pavimento permite reducir los espesores

de

material

granular

requeridos

convencionalmente para una capacidad de soporte dada. 

A mayor módulo de deformación del geotextil

[4] Webster, S.L. y Watkins, J .E., “Investigation of Construction

Techniques

for

Tactical

Bridge

Approach Roads Across Soft Ground”. Technical Report S-77-1 , United States Army Engineer

Waterways Experiment Station, Vicksburg , Miss, Feb, 1977.

de alto módulo Fortex, mayor beneficio para un nivel de ahuellamiento dado.

[5] Webster, S.L. y Alford, S.J ., “Investigation of

El geotextil, al cubrir una gran área confinada

Construction Concepts for Pavements Across S oft

por material granular trabaja como una membrana

Ground”. Technical Report S-78-6 , United States

que refuerza la interfase, ampliando la distribución

Army Engineer Waterways Experiment Station,

de esfuerzos hacia las capas de suelo inferiores y

Vicksburg , Miss, J uly, 1978.



generando confinamiento en las capas superiores de material, con lo cual se mejora el desempeño


Pág. 12


[6] Headquarters, Department of The Army (2003).

módulo Fortex. Anales de Ingeniería No 887, Abril

Technical Letter TL 1110-1-189. “Use of Geogrids

– Septiembre de 2003. Sociedad Colombiana de

In P avement Construction”

Ingenieros.

[7] Houlsby G.T., J ewell R. A. (1990) “Design of

[14] Giroud, J .P., Ah-Line, C. and Bonaparte, N.,

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Netherlands, pp 171 - 176 [15] Meyer, N., Elias, J .M. “Design Methods for [8] Koerner, R.M. “Designing With Geosynthetics”

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[16] Kamel A.M., CHANDRA S., KUMAR P., “Behavior of Subgrade Soil Reinforced with Geogrid”. The International J ournal of Pavement

[10] Houlsby G.T., Milligan G.W.E., J ewell R.A. y

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Pág. 13

1.8._Guía_de_diseño_de_pavimentos_subrasantes_blandas_ con_geotextiles

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