Volumen1(Octubre2006)

Universidad Santa María Facultad de Ingeniería

Universidad Católica Andrés Bello Facultad de Ingeniería

APUNTES DE PAVIMENTOS Volumen 1

Ing. Gustavo Corredor M. Edición Octubre 2004 (Revisión Octubre 2006)

In memoriam

Luís Alberto Salamé Ruíz

Maestro y amigo

Presentación

Hace prácticamente tres lustros que la Primera Edición de estos “Apuntes de Pavimentos” fueron ofrecidos a los alumnos de Ingeniería Civil de la Universidad Santa María en Caracas, con la única pretensión de “ ser un aporte a la enseñanza de los pavimentos y un reconocimiento a los Profesores de esta materia en otras Universidades”.

En esta Segunda Edición se mantiene el mismo propósito y esta nueva versión contiene el mismo material y en el mismo orden que fue presentada en la primera edición, ya que la Ingeniería de Pavimentos se fundamenta en los mismos principios que se mantienen en el tiempo. El correr de los años mejora el grado de conocimiento en las materias que la conforman. Confiamos que la publicación que hoy presentamos pueda haber recogido el avance que se ha logrado en estos últimos años en los Pavimentos y que puedan reflejar también la experiencia que como Profesor aspiramos haber aprendido. Esta Edición, por otra parte, se realiza bajo la sombra de las Universidades Santa María y Católica Andrés Bello, en donde tenemos la fortuna de dictar la materia de “Pavimentos” a nivel de Pre-grado. Esperamos contribuir en la formación de los futuros Profesionales de la Ingeniería de Pavimentos en ambas Casas de Estudios, en una manera que podamos presentarnos con orgullo en el momento en que tengamos que hacer el balance de nuestro actuar Profesional.

Ing. Gustavo Corredor Muller

Caracas, octubre de 2004

Apuntes de Pavimentos Volumen 1

Capítulo 1 Introducción y conceptos básicos

Edición de octubre de 2004 (Revisión Octubre 2006)

Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

Diseño de Pavimentos Definiciones y conceptos básicos La Organización de los Estados Americanos, a través de su organismo técnico denominado Congresos Panamericanos de Carreteras, define a un pavimento como: "La superestructura de una vía, construida sobre la sub-rasante, y compuesta normalmente por la sub-base, la base y la capa de rodamiento, cuya función principal es soportar las cargas rodantes y transmitir los esfuerzos al terreno, distribuyéndolos en tal forma que no se produzcan deformaciones perjudiciales, así como proveer una superficie lisa y resistente para los efectos del tránsito" Dentro de esta definición se encuentran diversos términos, que irán siendo ampliados a medida que sean tratados como parte del pavimento. Esta definición es, por otra parte, orientada hacia el ingeniero o técnico que se relaciona con esta área de la ingeniería, y por tal razón se conoce como una "definición estructural", es decir aquélla que plantea los conceptos técnicos fundamentales de esta estructura. Esta definición fue la única utilizada durante muchos años, hasta que en la década de los años 60, se considera la razón para la que un pavimento se construya, y se genera la "definición funcional", mediante la cual se refiere a un pavimento como: "La parte superior de una carretera, pista de aterrizaje, o estacionamiento y cuyo objetivo es servir al tráfico de una manera segura, cómoda, eficiente, permanente y económica". El Diseño de pavimentos, será "el proceso de determinación de una combinación de tipos de materiales, y espesores de capas construidas con tales materiales, que garanticen tanto el comportamiento estructural de su conjunto, cuando es sometido a los efectos impuestos por las variables actuantes sobre esta estructura, como el cumplimiento de las funciones para las cuales ha sido diseñado". El Diseño de pavimentos presenta una serie de características importantes: • Es de desarrollo reciente: Se inicia básicamente a partir de 1945, fecha muy cercana a la actual. Otras técnicas de la ingeniería, edificaciones, canales, etc, han ido prácticamente paralelas al desarrollo de las concentraciones humanas • es dinámico: los métodos están cambiando continuamente al producirse nuevos datos, tanto de campo como de laboratorio. Como ejemplo de esta dinámica propia del diseño de pavimentos podemos citar al, quizás mejor de todos los métodos, que fue desarrollado por la AASHTO, que es introducido por primera vez en 1962 como una "Guía Provisional", se perfecciona en 1972 y en 1981, y nuevamente en el año 1986. Posteriormente, en el año 1993, se actualiza el procedimiento de diseño de rehabilitaciones, pero se mantiene igual al del año 1986 el procedimiento de diseño de nuevos

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pavimentos. El Método del 86(93), ha sido validado para las condiciones particulares de Venezuela por el Dr. Augusto Jugo, en el año 1997. Para el año 2002 se esperaba una nueva versión de este método, la cual sin embargo, solo ha sido hecha del conocimiento de los Ingenieros en el mes de marzo de 2004. • Es atípico entre todos los diseños: es prácticamente la única estructura de uso definitivo que se diseña bajo la hipótesis de que fallará a un tiempo determinado. • Es un diseño a futuro: toma en consideración la variable "tiempo", y el diseño se realiza desde el momento presente y a lo largo de un número de años determinado. • No es uniforme, o único: se dispone de numerosos métodos; existen diferencias sobre la aplicabilidad de un mismo método en diversos sitios, lo que ha generado modificaciones sobre los métodos básicos, o al desarrollo de métodos particulares a un material o región. Así se dispone de métodos para pavimentos construidos con materiales asfálticos, con concreto, con mezclas de suelo y cemento, etc. • Es crítico: los pavimentos están sujetos a las condiciones ambientales, las cuales son no controlables, al abuso del tráfico y al mal mantenimiento, y los métodos no contemplan ningún "factor de seguridad" de aplicación directa. • Tiene una alta incidencia en la economía: pequeñas variaciones en valores de diseño (cms espesor) resultan en altos valores de inversión por los grandes volúmenes que significa su construcción. • Afecta la vida diaria del individuo: un alto porcentaje del tiempo de un ciudadano es pasado sobre un vehículo; si es inseguro puede causar accidentes con resultados económicos adversos y de salud o muerte. • Requiere del uso de mucho criterio: no existen dos pavimentos con condiciones idénticas, y en la optimización del proceso de diseño el ingeniero debe hacer participar, además de sus conocimientos técnicos en la materia, su experiencia e ingenio

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Tipos de Pavimentos Históricamente los pavimentos han sido divididos en dos tipos: a. Pavimentos flexibles b. Pavimentos rígidos Es indudable que tal división proviene de una simplificación de todas las posibilidades de definiciones, pero representa verdaderamente la imagen que cualquier usuario recibe de los tipos de superficies sobre la que él rueda. Bajo este esquema se define como "Pavimento flexible" a aquél cuya superficie de rodamiento está constituida por una mezcla asfáltica, y sus principales características son: ° la capacidad estructural del pavimento es proporcionada por las capacidades de aceptación y distribución de cargas de cada una de las capas que conforman la estructura. ° son construidos en, al menos la capa superior, con material asfáltico ° variaciones pequeñas del suelo de fundación tienen gran incidencia en la capacidad estructural del pavimento ° las propiedades de las mezclas, afectan, aún cuando en menor grado, la resistencia del conjunto multicapa Por lo contrario, un "Pavimento rígido" es aquel que: ° distribuye la carga sobre un área relativamente grande del suelo por la rigidez y alto módulo de elasticidad de sus componentes; una gran parte de la capacidad estructural la proporciona la capa superior. ° construidos de concreto-cemento en su superficie de rodamiento ° en su comportamiento influye notablemente la resistencia del concreto ° variaciones pequeñas del suelo de fundación tienen poca incidencia en la capacidad estructural del pavimento Otras maneras, quizás menos frecuentes, de definir los tipos de pavimentos se basan en: • tipo de tráfico que soportarán: de autopistas, carreteras, aeropuertos, estacionamientos, etc. • intensidad de tráfico que circulará sobre ellos: para tráfico liviano, medio o pesado • manera como son construidos: mezclados sobre la vía, o en planta; o pavimentos en frío o en caliente En este Volumen, cuyo propósito fundamental es servir como libro de Texto para la enseñanza del Diseño de Pavimentos en las Universidades Santa María (USM) y Católica Andrés Bello (UCAB), se tratarán exclusivamente los pavimentos flexibles en caliente para carreteras, debido a varios factores, entre ellos: • son los más comunes en nuestro país • las limitaciones de tiempo en un curso de pre-grado no permiten cubrir otros tópicos

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Tipos de pavimentos flexibles Las secciones de pavimento presentadas en la Figura 1, permiten comparar algunos de los tipos más comunes de "pavimentos asfálticos", o "pavimentos flexibles" Otras definiciones En la definición de un pavimento fueron incluidos varios términos para los cuales conviene aclarar su función, o participación, dentro de la estructura de un pavimento: • sub-rasante ancho total de la vía que constituye la fundación para el pavimento, hombrillos y zonas de estabilización. Este término realmente es compartido en los aspectos de diseño geométrico: en ellos se refiere al plano que separa la infraestructura y superestructura del pavimento; y en el diseño de pavimentos: en el cual se refiere a los últimos centímetros (generalmente 50,0 cm) del relleno o corte del movimiento de tierras, que sirven de soporte a la estructura capaz de recibir y reducir las cargas del pavimento. La sub-rasante no forma parte del pavimento, pero es una variable fundamental en su determinación.

Figura 1: Secciones transversales típicas de pavimentos flexibles

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• Sub-base Parte de la estructura del pavimento construida directamente sobre la sub-rasante, y que sirve de soporte a la base. • Base Capa, o capas, de agregados, o de suelos o agregados tratados, destinadas a distribuir las cargas provenientes del paso de los vehículos sobre la sub-base o sub-rasante de la vía, y encima de la cual se construye la capa de rodamiento. • Capa de rodamiento Capa superior del pavimento que soporta directamente el tránsito, constituida por una o más capas. • Tránsito (Tráfico) Vehículos de todo tipo, con sus respectivas cargas, considerados aisladamente o en conjunto, que utilizan cualquier vía. El "Diseño" no es una actividad aislada dentro de todas aquellas relacionadas con los "Pavimentos", sino que forma parte de lo que hoy se conoce como "Sistema Gerencial de Pavimentos", y que en Venezuela ha sido definido como "Gerencia de Inversión en Pavimentos (GIP)1", y que es "una serie de actividades coordinadas, fáciles e integradas, cuyo fin inmediato es el de obtener un pavimento funcional". Este "Sistema Gerencial de Pavimentos", también puede ser considerado como un "enfoque sistemático que proporciona al administrador un resumen completo, preciso y significativo de la información necesaria para definir claramente los objetivos y las alternativas contempladas dentro de un programa global de pavimentos" La Figura 2 representa todo el conjunto de actividades que forman parte de un "Sistema Gerencial Idealizado de Pavimentos". En nuestro país no hemos alcanzado aún el grado de un "Sistema Idealizado de Gerencia de Pavimentos"; sin embargo se han venido adelanto acciones en el sentido de alcanzarlo: las universidades realizan investigaciones en el campo de pavimentos, especialmente como Trabajos Especiales de Grado, el Ministerio de Transporte y Comunicaciones desarrolló un método de diseño de pavimentos, y actualmente se trabaja en la implementación de un sistema gerencial de pavimentos. La Figura 3 representa la visión particular del autor de estos Apuntes, sobre el estado actual del "Sistema de Gerencia de Pavimentos en Venezuela", pero es necesario apuntar que, bajo un panorama generalmente pobre, existen ciertos casos en los cuales se ha destacado la acción de los profesionales en las etapas de investigación, evaluación y control de calidad, y que las empresas de más tradición disponen de suficientes equipos y personal técnico dispuesto a realizar los trabajos de pavimentación de acuerdo a las mejores técnicas.

1 Jugo, Augusto: Sistema de Gerencia de Inversión en Pavimentos, Caracas, 1988

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Figura 2: Actividades dentro de un "Sistema Gerencial de Pavimentos"

Figura 3: "Sistema de Gerencia de Pavimentos en Venezuela".

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• Unidades de diseño Una de las primeras decisiones que debe tomar un proyectista de pavimentos es la de como manejar una gran serie de variables, y transformarlas en "valores de diseño", que le permitan usarlas en el método seleccionado, como parte del proceso total. Efectivamente, el diseño de un pavimento es esencialmente distinto del de otra estructura de ingeniería: el pavimento, en su totalidad se apoya sobre el material de fundación y es, por lo tanto, altamente influenciado por las condiciones ambientales. Una carretera, por otra parte, atravesará en su desarrollo una multiplicidad de depósitos de suelos, cada uno con propiedades diferentes. Cada uno de esos suelos, que son la fundación del pavimento, y también los materiales y mezclas que formarán la estructura propiamente dicha del pavimento, se ven afectados por muchos factores, entre los que pueden citarse: densidad, humedad, textura y estructura de sus componentes, y grado de confinamiento. A todos estos hechos debe añadírsele la variabilidad propia del tráfico que actuará sobre el pavimento. Tales características hacen del diseño de pavimentos una tarea compleja, y para facilitar el manejo de tal volumen y tipo de información, el proyectista debe determinar unas "Unidades de Diseño", que pueden definirse como: "tramos de la vía que presentan condiciones similares de topografía, drenaje, clima, tráfico esperado, suelos existentes, y materiales de construcción." Por facilidades de construcción se establece que las "Unidades de Diseño" tengan, como regla general, una longitud mínima de dos (2) kilómetros. Del gran número de variables que participan en el diseño de un pavimento se deben destacar: • Tráfico ° Número y tipo de vehículos a lo largo del período de diseño ° Magnitud de la carga aplicada ° Configuración de la carga aplicada. ° Repeticiones de carga. ° Velocidad de desplazamiento. ° Presión de inflado/ área de contacto ° Error esperado en las estimaciones • Condiciones ambientales ° Precipitación pluvial ° Temperatura, o altura sobre el nivel del mar, de la unidad de diseño ° Drenaje del área en estudio ° Pendiente longitudinal promedio de la unidad de diseño • Suelo de fundación ° Resistencia o estabilidad ° Densidad ° Contenido de Humedad ° Textura y Estructura

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° Grado de confinamiento • Materiales a ser empleados en la estructura del pavimento °° Tipo de subbase ° Resistencia o estabilidad ° Densidad ° Contenido de Humedad ° Textura y Estructura ° Grado de confinamiento ° Disponibilidad ° Costo ° Variabilidad en la construcción °° Tipo de base ° Resistencia o estabilidad ° Densidad ° Contenido de Humedad ° Textura y Estructura ° Grado de confinamiento ° Disponibilidad ° Costo ° Variabilidad en la construcción °° Tipo de rodamiento ° Resistencia o estabilidad ° Densidad ° Durabilidad ° Disponibilidad ° Costo ° Variabilidad en la construcción • Nivel de servicio ° Seguridad/Comodidad ° Capacidad de Servicio ° Durabilidad del Pavimento ° Mantenimiento durante el período de servicio ° Métodos constructivos • Costos ° Costos de Construcción ° Costo anual de mantenimiento

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• Factores que influyen en el diseño de un Pavimento El diseño de pavimentos está conformado por dos grandes fases: a. cuantificación del tránsito, caracterización del material de fundación y de los materiales y mezclas que serán empleados en el pavimento b. determinación de los espesores de capas Ambas etapas deben ser desarrolladas simultáneamente: cada una depende de la otra; los espesores resultantes serán función de las características de los materiales y mezclas empleados en su construcción, y los espesores podrán condicionar las exigencias de calidad que se impongan sobre los materiales a ser empleados en el pavimento. • Método de diseño ° Para el Ingeniero que diseña pavimentos debe quedar claramente establecido que deben tomarse en consideración los siguientes elementos, relacionados con el procedimiento de diseño seleccionado: a. los conceptos teóricos empleados para predecir los parámetros de falla b. los métodos de evaluación de las propiedades de los materiales o mezclas que participarán en la estructura del pavimento c. la determinación de la relación entre los criterios de falla y de comportamiento esperado del pavimento La Figura 4 representa un resumen de los factores relacionados con el proceso de diseño de pavimentos. • Conceptos estructurales básicos en los pavimentos flexibles En el caso de los pavimentos flexibles, su capacidad de soporte se debe a la forma de como se distribuyen las cargas aplicadas sobre la superficie. Por definición, un pavimento flexible consiste de una serie de capas con el mejor material cercano a la superficie. Como consecuencia, la carga aplicada se reduce con la profundidad. La forma como ésta varíe dependerá de las propiedades de los diferentes materiales empleados en la construcción del pavimento. La sub-rasante es, finalmente la capa que debe soportar las cargas impuestas, al igual que las capas que sobre ella serán construidas. La Figura 5 muestra la carga de una rueda (W), que es transmitida a la superficie del pavimento a través del caucho del vehículo, y que resulta en una presión unitaria vertical aproximadamente uniforme, identificada como Po. Cada capa del pavimento absorbe parte de esta presión, y distribuye la presión restante sobre la capa inferior de tal manera que este esfuerzo se ve reducido a un valor menor al esfuerzo resistente de la capa subyacente.

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Figura 4: Factores Relacionados con el Proceso de Diseño de Pavimentos

La selección adecuada de los materiales y/o mezclas, y de los correspondientes espesores, resultará en que el esfuerzo aplicado sobre la sub-rasante (P1), será suficientemente pequeño para ser soportado fácilmente por el material de fundación.

Figura 5: Distribución de las cargas de los neumáticos a través de la estructura de un pavimento flexible

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Cada vez que un vehículo pasa sobre una sección de un pavimento, éste sufre una deformación, o deflexión, que es recuperable; es decir es una deformación elástica. La Figura 6 representa como la carga del vehículo (W) deforma levemente la estructura del pavimento, causando esfuerzos de tracción y compresión dentro del mismo. Las capas asfálticas tienen resistencia a la tracción y compresión para soportar los esfuerzos impuestos. Las capas granulares de sub-base y/o base sólo resisten esfuerzos de compresión.

Figura 6: Esfuerzos de tracción y compresión como resultado del paso de una carga sobre un pavimento flexible

• Esfuerzos en los pavimentos flexibles Estos Apuntes no pretenden discutir los conceptos teóricos sobre los esfuerzos actuantes en los pavimentos flexibles, pero deben al menos presentar las hipótesis válidas sobre las cuales se fundamentan todos los "Métodos Racionales" para el diseño de pavimentos. Estas hipótesis, representadas en la Figura 7, son: a. un pavimento está compuesto por un sistema de varias capas, es decir es un "Sistema Multicapa" b. los materiales en cada capa son homogéneos, es decir las propiedades del material Ai son las mismas del material Bi, ya que forman parte de la misma capa

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c. cada capa tiene un espesor finito, excepto la sub-rasante. Todas las capas, sin embargo son infinitas en la dirección lateral d. el material que forma cada capa es isotrópico, es decir las propiedades del material en el punto Ai son iguales en cualquier dirección e. se desarrolla una completa fricción entre las capas a nivel de las diversas interfases f. no ocurren esfuerzos cortantes en la capa de rodamiento g. los esfuerzos para cualquier material se definen mediante dos propiedades: la relación de Poisson (µ) y su módulo elástico (E )

Figura 7: Generalización de un sistema elástico multicapa Fuente: Principles of Pavement Design, Yoder & Witczack.

• Tipos de fallas en los pavimentos Tal como fue establecido inicialmente, un pavimento siempre tenderá a fallar. Estas fallas pueden ser, básicamente, de dos tipos: ° estructural: colapso, o rotura de uno o más de los componentes del pavimento, de una magnitud tal que lo hacen incapaz de soportar las cargas impuestas

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° funcional: condición del pavimento que causa incomodidad o inseguridad al conductor, o grandes esfuerzos sobre el vehículo al transitar sobre el pavimento. La falla funcional puede venir, o no, acompañada de una falla estructural. El grado de falla de un pavimento es progresivo; indudablemente, al poner una obra en servicio, no debe presentar falla alguna, pero al paso del tiempo, es decir la aplicación de las cargas y los efectos adversos de las condiciones climatológicas, van haciendo aparecer, y avanzar, las fallas. La calificación del grado de severidad de las fallas es, por otra parte, relativamente subjetiva, es decir dependiente de la persona que realice la evaluación. Es importante, sin embargo el conocer bajo que tipo puede calificarse una falla, estructural o funcional, ya que las medidas correctivas que el ingeniero vaya a tomar, dependerán de que tipo se trate. Las causas de las fallas, sin embargo, son comunes a ambos tipos, y pueden provenir de múltiples razones, entre ellas: ° sobrecargas, provenientes a su vez de vehículos con cargas totales muy altas, repeticiones del paso de los camiones muy por encima de las estimaciones iniciales, y elevadas presiones de contacto entre el caucho y el pavimento, causarán la falla prematura de la estructura ° efectos de las condiciones ambientales, que progresiva e irremediablemente irán deteriorando el pavimento. Muchas de las variables climáticas pueden ser estimadas, pero sigue siendo "pobre" la certeza en la predicción de su efecto sobre los pavimentos ° defectos en la construcción, harán que los materiales resulten con niveles de calidad menores a los supuestos en el diseño ° variabilidad propia de los materiales, que podrá conducir también a sectores del pavimento con niveles de calidad inferiores a los deseados ° mantenimiento inadecuado, conducirá a un desarrollo exponencial de una falla inicialmente de fácil corrección ° mal diseño, causado por errores en la información de entrada al método, o mala aplicación o interpretación de los resultados de ensayos Todas estas fallas pueden agruparse bajo un mismo término: subdiseño, sin que esto quiera decir que el Ingeniero realizó un trabajo profesional de bajo nivel, sino que todas las variables que actúan sobre un pavimento, que en la etapa de diseño son estimadas, pueden tener un comportamiento muy distinto, e impredecible, con el transcurrir del tiempo de trabajo del pavimento. Esta condición, muy real en nuestro país debido a la carencia de registros estadísticos permanentes y confiables, exigen del proyectista de pavimentos, un esfuerzo mayor en el análisis de toda la información disponible, con el fín de producir un diseño que se comporte la más parecido posible a como fue conceptuado.

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• El proceso y las estrategias de diseño Uno de los conceptos incorporados en los nuevos métodos de diseño es el relacionado con su "habilidad de prestar servicio", mejor conocida como "servicapacidad", en un momento determinado después de haber sido construido. La "servicapacidad" es una calificación, fundamentada en la evaluación subjetiva de los usuarios, del estado del pavimento y su relación con su funcionalidad, en ese momento determinado. La Figura 8 muestra la tendencia general de la servicapacidad a lo largo de los años de servicio de un pavimento. Es indudable que el nivel más alto lo logrará el pavimento en el momento de ser puesto en servicio, es decir el año "0" de su vida útil. A medida que el tráfico hace uso del pavimento, al transcurrir el tiempo, los valores de servicapacidad irán disminuyendo; la rata de disminución será función del nivel de mantenimiento que se le aplica a ese pavimento en particular.

Figura 8: Tendencia generalizada de la servicapacidad con el tiempo de servicio Fuente: Principles of Pavement Design, Yoder & Witczack.

Al llegar al año "y1", el pavimento exigirá una repavimentación mayor, y el nivel de servicapacidad se recuperará al valor inicial del año "0". A medida que el tráfico progresa, el proceso de disminución se repite, con la misma intensidad o no, y llegará el momento del año "y2", en el cual se requerirá nuevamente otra acción correctiva mayor.

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El diseño de pavimentos no es un proceso exacto, y tal como ha sido señalado anteriormente, depende de muchos factores. La Figura 9(a) muestra la relación entre el efecto de las cargas, definidas como "repeticiones acumuladas de un eje patrón de 18 kips", sobre dos pavimentos hipotéticos, uno sobre una fundación de alto valor de resistencia, medida mediante un ensayo empírico llamado CBR, y otro pavimento de bajo valor CBR, y los espesores requeridos en ambos casos. Si los mismos valores del Gráfico 9(a) se transforman en "años de aplicación del tráfico", las curvas toman las tendencias mostradas en la Figura 9(b).

Figuras 9(a) y 9(b): (a) espesores -vs- repeticiones de carga (b) espesores como función del tiempo de servicio Fuente: Principles of Pavement Design, Yoder & Witczack.

Durante el proceso de diseño, el proyectista tiene la posibilidad de seleccionar entre varias opciones, o "estrategias de diseño". La Figura 9(c) muestra varias de esas muchas opciones: refiriéndose a la curva superior de este gráfico, el proyectista puede decidirse por el espesor "t1" , lo cual significará que el pavimento durará hasta el año "y1", momento en el cual exigirá una repavimentación, que lo llevará hasta el año "y2", año en el que se aplicará una segunda repavimentación para extender la vida útil hasta el año "y3". Pero la estrategia del proyectista puede ser la de inicialmente seleccionar el espesor "t2" , lo que lo llevará directamente hasta el año "y2", momento en el cual requerirá la primera repavimentación. Como estas dos alternativas podrían plantearse otras, resultando en un número casi infinito de soluciones para el diseño inicial, dependiendo cada una de ellas del año de servicios que el proyectista espera lograr del pavimento antes de que éste requiera un mantenimiento mayor.

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Figuras 9(c) y 9(d): (c) varias estrategias de diseño para un mismo pavimento (d) costo inicial de construcción, de mantenimiento y total Fuente: Principles of Pavement Design, Yoder & Witczack.

Debe concluirse que, al final, la decisión referente al período que puede ser esperado como "vida útil" del pavimento, será el producto del proceso de estudio comparativo de las diversas alternativas; en este proceso el ingeniero deberá balancear los aspectos técnicos y los económicos: deberá decidir entre invertir más al momento de la construcción, y diferir el costo de mantenimiento, o por lo contrario, esperar un mayor costo de mantenimiento como consecuencia de una inversión limitada durante la etapa de construcción inicial. La Figura 9(d) pretende señalar los aspectos económicos relacionados con la decisión final: si la alternativa escogida resulta en una inversión inicial baja, por ejemplo como resultado de un pavimento con espesores totales muy reducidos, los costos de mantenimiento resultarán mayores debido al más rápido desgaste de la estructura. Por lo contrario, si el proyectista decide un pavimento de espesores mucho mayores, la inversión en mantenimiento se verá reducida, pero la inversión en la construcción inicial será mucho mayor que en la primera decisión. Se concluye, entonces, que el proceso de decisión deberá tomar en cuenta tanto los aspectos técnicos, como los económicos y las consecuencias de afectar, en mayor o menor grado al usuario de la vía. En teoría, el costo total de la estructura del pavimento debe incluir tanto los costos de construcción, como los de mantenimiento, como los causados a los usuarios en los casos de cierres temporales de la facilidad vial por los trabajos de reparación, y los que éstos sufren como consecuencia de desperfectos en sus vehículos por el mal estado del pavimento. Este proceso de cuantificación de costos totales no ha sido todavía considerado, en forma general, en nuestro país

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El proceso de toma de decisiones en el diseño de pavimentos es, en resumen, complejo y difícil, y depende de muchas variables, incluyendo el tipo de facilidad vial sobre la cual se construirá el pavimento. La aseveración anterior puede aclararse mediante un simple ejemplo: es fácil reparar frecuentemente una vía agrícola, sus usuarios son escasos y el tiempo de espera por reparaciones no tiene un gran significado; no sucede lo mismo en una autopista urbana como la del Este en Caracas, en la cual no puede pensarse en cerrarla durante el día debido al tremendo problema de circulación que se ocasionaría. Se debe recordar, además, que los valores de diseño son estocásticos por naturaleza, y que la variabilidad de cualquiera de ellos puede ser extremadamente alta, el proyectista debe seleccionar para cada una de las variables de diseño un sólo valor que la represente verdaderamente. El Ingeniero debe tratar de predecir el comportamiento futuro del pavimento, sin recurrir al largo proceso de esperar que el tráfico, las condiciones ambientales, las características de construcción y el mantenimiento sobre la vía, entre otros factores, hayan actuado realmente sobre el pavimento que será construido de acuerdo a su diseño. El diseño de pavimentos es un proceso complejo y es oportuno reproducir un pensamiento encontrado en el escritorio del Ingeniero Matt Witzack, quizás el mejor profesional de la ingeniería de pavimentos, quien actualmente es el líder de la investigación que está conduciendo al desarrollo del nuevo método de la AASHTO. Este pensamiento dice: “La Ingeniería de Pavimentos es el arte de utiizar unos materiales que no entendemos completamente, en formas que no podemos analizar con precisión, para que soporten cargas que no sabemos predecir con exactitud, en una forma tal que nadie sospeche nuestra ignorancia”.

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La red vial nacional Con el fin de lograr un cabal entendimiento, y la correcta interpretación de la red vial existente en Venezuela, al ser asociada ésta con los pavimentos, es conveniente conocer la manera como ella se ha dividido, ya sea en función de la importancia de la vía, o del tipo de su superficie de rodamiento. • Definiciones por importancia de la vía De acuerdo a la importancia de la vía, la red de carreteras y autopistas de Venezuela se clasifica en 2: ° Carreteras Troncales Sistema de carreteras que contribuyen, o contribuirán en el caso de que no estén aún construidas, a la integración nacional y al desarrollo económico del país, a la vez que proveen la interconexión regional y la comunicación internacional. Las carreteras dentro de esta clasificación absorben altos volúmenes de tráfico entre los centros poblados de mayor importancia. Se codifican con las siglas "TO", seguidas de dos dígitos, que se corresponden a su vez con la vía en particular. Los dígitos impares significan que su trazado es "E-W" ó "W-E", y los pares se ha reservado para aquellas troncales con sentido "N-S" ó "S-N". Se identifican en los mapas de vialidad por estar encerradas dentro de una figura en forma de escudo. Como ejemplo de troncales se puede mencionar la TO-01, que saliendo de Caracas va, vía autopista, hasta Valencia y luego a Puerto Cabello y Morón. En esta población continúa hacia San Felipe-Barquisimeto-Carora-El Vigia y finaliza en la ciudad de San Cristóbal. El origen del sistema nacional de vialidad se encuentra en Caracas, en la Autopista del Valle en el sitio donde se inicia la rampa que va hacia los túneles del Valle y El Paraíso, muy cerca de una estación de servicio Deltaven. En este sitio nace, hacia el Oeste la TO-01, y hacia el Este la TO09, que termina en Guiria, después de pasar por Guarenas-GuatireCaucagua-El Guapo-Clarines-Píritu-Barcelona, continuando luego hacia Cumaná y Carúpano. ° Carreteras Locales Son carreteras de interés regional, pues permiten la comunicación desde centros poblados a vías de mayor importancia y reciben el tránsito proveniente de ramales y sub-ramales. Un buen ejemplo de local es la "LO-01" del Estado Miranda, que nace en el Distribuidor frente a las instalaciones militares de Conejo Blanco, en la Autopista del Valle, y se desarrolla hacia Los Teques, y continúa hacia Tejerias, donde, un poco antes de esta población, en el límite entre Miranda y Aragua, termina como LO-01 del Estado Miranda, y se inicia como LO-01 del

2Definiciones tomadas del "Nomenclador Vial" del MOP -hoy MINFRA-. Edición 1966

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Estado Aragua. Se identifican en los mapas de vialidad por estar encerradas dentro de una figura en forma de círculo. ° Carreteras Ramales Conforman el sistema vial que complementan otros medios de comunicación tales como carreteras principales, ferrocarriles y aeropuertos. Intercomunican centros poblados de menor importancia y permiten su acceso a la red primaria. Su interés es estrictamente estadal. Se identifican en los mapas de vialidad por estar encerradas dentro de una figura en forma de rectángulo. ° Carreteras Sub-ramales Conforman, junto con las ramales, el sistema secundario, y su función básica es la de permitir el acceso a fundos y centros de muy baja densidad poblacional. Permiten también la incorporación de las regiones aisladas. Al igual que las ramales, se identifican en los mapas de vialidad por estar encerradas dentro de una figura en forma de rectángulo. En la Figura 10 se presenta la red planificada de carreteras troncales y autopistas • Definiciones de acuerdo al tipo de superficie de rodamiento De acuerdo al tipo de materiales que conforman la superficie de rodamiento, la red vial se divide en los tipos que se mencionan a continuación, y que se discriminan en la Tabla 1:: ° Carreteras de concreto Se agrupan dentro de este tipo aquellas vías cuya superficie de rodamiento está constituida por una mezcla de concreto-cemento. Actualmente, dentro del sistema regional -excluyendo las vías urbanas- sólo se cuentan dentro de este tipo a la autopista Valencia - Puerto Cabello, y un tramo de la pista "W-E" de la Autopista del Valle (TO-01) en Caracas. ° Carreteras de asfalto En este tipo de pavimento se agrupan aquellas vías cuya superficie de rodamiento está formada por una mezcla asfáltica, ya sea en frío o caliente, sea cual sea la base sobre la cual están construidas. Dentro de este grupo se incluyen también las vías de concreto-cemento que han sido repavimentadas con mezclas asfálticas. Prácticamente toda la red vial pavimentada en Venezuela es de superficie asfáltica, ya que de los 29.991,30 km pavimentados, un 99,80% de ellos corresponden a este tipo, tal como se observa en la Tabla 1. ° Carreteras engranzonadas Se clasifican dentro de este grupo a aquellas vías que tienen como carpeta de rodamiento un material granular grueso o fino. ° Carreteras de tierra tratada Dentro de este tipo de carreteras quedan incluidas todas aquellas vías que presentan como carpeta de rodamiento a una mezcla estabilizada de suelo y

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agregado. El agregado puede estar constituido por arena, grava, piedra picada o escoria. Como cementante se emplea asfalto, cal o cemento, aceite sulfonado, o cualquier otro agente estabilizante. ° Carreteras de tierra Se incluyen en este renglón todas aquellas vías que presentan una superficie de rodamiento constituida simplemente por el suelo natural compactado. Tabla 1 Red Vial Venezolana registrada (km) por tipo de pavimento y nomenclatura, para el año 19973

Nomenclatur a Troncal Local Ramal Subramal Total

kms por tipo de superficie de rodamiento Concreto Asfalto Granzón Tierra 30,0 0,0 0,0 0,0 30,0

10.899,9 10.329,0 11.069,5 6.863,5 39.161,9

180,8 1.529,8 9.572,8 14.821,1 26.104,5

924,6 1.079,2 4.516,8 23.838,8 30.159,4

Total 12.035,3 12.938,0 25.159,1 45.523,4 95.655,8

La Tabla 2: "Red Vial Terrestre Nacional por Entidad y Tipo de Pavimento", presenta la distribución, por entidad federal, de la red venezolana para el año 1997. En esta Tabla las "carreteras de tierra" y las de "tierra tratada" se incluyen dentro de un mismo grupo. La red nacional, por otra parte, se encuentra referenciada a un origen común que se conoce como el “cero nacional” y está ubicado en la Autopista Valle-Coche, a la altura de la Estación de Servicio de Fuerte Tiuna. De este punto nace la TO-01, que termina en la población de San Antonio del Táchira, después de haberse dividido en el Distribuidor San Blas en Valencia, Estado Carabobo, sitio donde nace la TO-05, que finaliza en la ciudad de San Cristóbal. La TO-01, además, al llegar a la altura de Taborda, en las cercanías de la Refinería de Puerto Cabello, da origen a la TO-03, que llega hasta la ciudad de Maracaibo, en el Estado Zulia. En este cero nacional arranca también la TO-09 que termina en la población de Guiria, en el Estado Sucre, después de haber recorrido los Estados Miranda, Anzoátegui y Sucre. Existen algunos casos particulares de tramos de carreteras troncales que tienen una doble codificación, por ejemplo, el tramo entre El Palito y Morón es simultáneamente TO-01 y TO-03.

3 Fuente: MINFRA, Dirección de Vialidad, Oficina de Planificación y Presupuesto, 1997

1-20


Tabla 2 Red Vial Interurbana de Venezuela (km) registrada por Tipos de pavimento y por Entidad Federal4

Entidad Federal Dto. Federal Amazonas Anzoátegui Apure Aragua Barinas Bolívar Carabobo Cojedes Delta Amacuro Falcón Guárico Lara Mérida Miranda Monagas Nueva Esparta Portuguesa Sucre Táchira Trujillo Yaracuy Zulia Total Porcentaje

kms por Tipo de superficie de rodamiento Concreto Asfalto Granzón Tierra

30,0

30,0 0.03

574,0 186,7 3.748,9 1.135,8 1.096,0 807,9 2.797,8 1.049,6 669,3 200,9 2.600,9 2.281,2 1.595,3 1.087,0 1.555,8 2.055,2 460,0 911,7 1.165,6 1.715,6 1.207,6 660,5 5.396,6 34.959.9 36.55

273,3 64,6 2.083,1 823,0 733,3 1.547,4 2.136,7 784,7 1.210,0 37,1 1.125,3 2.715,3 1.530,3 659,7 1.020,6 1.262,8 75,9 3.311,2 770,5 1.256,7 782,5 1.209,1 1.526,2 26.939.3 28.16

155,4 336,9 4.443,7 2.308,9 573,7 2.471,0 2.643,2 252,0 459,9 335,3 3.856,1 2.604,2 2.792,5 695,2 426,4 2.444,9 230,9 987,8 429,9 470,0 839,7 497,8 3.453,2 33.726,6 35.26

Total 1.002,7 570,2 10.275,7 4.267,7 2.403,0 4.826,3 7.577,7 2.116,3 2.339,2 573,3 7.582,3 7.600,7 5.918,1 2.477,9 3.002,8 5.762,9 766,8 5.210,7 2.366,0 3.442,3 2.829,8 2.367,4 10.376,0 95.655,8 100,00

1 Fuente: MINFRA, Dirección de Vialidad, Oficina de Planificación y Presupuesto, 1997

4 Fuente: MTC, Dirección de Vialidad, Oficina de Planificación y Presupuesto, 1992

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Figura 10: Sistema nacional de carreteras troncales y autopistas de Venezuela

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Capítulo 2 Obtención y manejo de la información de tránsito para el diseño de pavimentos


Obtención y manejo de la información de tránsito

_____________________________________________________________________ Características del Tránsito • Introducción “El tránsito es la variable más importante en el diseño de pavimentos”. Así comienza el Profesor Yang H. Huang, de la Universidad de Kentucky, el Capítulo dedicado a este tema en su libro “Análisis y Diseño de Pavimentos” 1. En Venezuela deberíamos añadir que es también la menos estudiada y a la que se le otorga la menor importancia. Para el dimensionamiento de un pavimento es necesario determinar los efectos que las cargas de estos vehículos causarán sobre el pavimento, por lo cual se debe conocer el número y tipo de vehículos que circularán por una vía, así como la intensidad de la carga y la configuración del eje que la aplica. El objeto de este capítulo es presentar la metodología para la determinación de los parámetros de tránsito que se requieren para el diseño estructural de los pavimentos en carreteras y autopistas interurbanas. En el país los bienes de producción y consumo se transportan básicamente por carretera. La Norma COVENIN 614 actualizada en el año 19972, establece la siguiente reglamentación en cuanto a cargas máximas: ° 6.000 kg. en eje simple de 2 cauchos ° 13.000 kg. en eje simple de 4 cauchos ° 20.000 kg en dos ejes simples consecutivos de 4 cauchos cada uno ° 27.000 kg en tres ejes simples consecutivos de 4 cauchos cada uno No existe en Venezuela un control de cargas eficiente; lo dispuesto en la Ley y Reglamentos de Tránsito es "letra muerta", y por ello estas disposiciones son violadas constantemente, lo que ha traído como consecuencia el deterioro prematuro de centenares de kilómetros de vías pavimentadas, causando pérdidas apreciables al Patrimonio Nacional. • Definiciones y conceptos básicos A continuación se presentan una serie de definiciones de términos referentes a los vehículos y cargas que se sirven de una vía, y que serán empleados en los procesos de diseño de pavimentos. Estos términos han sido tomados de la publicación "NORVIAL: Vocabulario Vial", la cual fue editada por el Ministerio de Transporte y Comunicaciones en Mayo de 1977. ° Tránsito (Tráfico): Los vehículos de todo tipo, con sus respectivas cargas, considerados aisladamente o en conjunto, mientras utilizan cualquier vía. ° Volumen de Tránsito: Número de vehículos que pasan por una sección dada de un canal o vía, durante un período determinado 1

Huang, Yang: “Pavement Analysis and Systems”. University of Kentucky. Mac Graw International, 1995. 2 Comisión Venezolana de Normas Industriales (COVENIN): Norma 614-1997: Límite de peso para vehículos de carga (1ra. Revisión). __________________________________________________________________________ 2-1


_____________________________________________________________________ ° Promedio Diario de Tránsito (PDT o PTDA): volumen promedio de tránsito en veinticuatro (24) horas, obtenido al dividir el volumen total durante un determinado tiempo, generalmente un (1) año, por el número de días del mismo período ° Volumen de tránsito Actual: es aquel que circulará por una vía si ella estuviera abierta al tránsito. En el caso de vías existentes, donde se cuenta con datos estadísticos, el tránsito actual se puede obtener proyectando para la fecha en consideración la tendencia de los registros históricos. En el caso de vías que van a ser mejoradas, el tránsito actual estará compuesto por el existente antes de la mejora, más el tránsito atraído de otras vías cercanas por las ventajas que ésta ofrece. En el caso de vías nuevas todo el tránsito será atraído. ° Tasa de Crecimiento (TC): Es el incremento anual del volumen de tránsito en una vía, expresado en porcentaje. Se determina en base a los datos de las estaciones de conteo, extrapolando la tendencia de los datos estadísticos. ° Proyección de Tránsito: El volumen de tránsito para un año cualquiera se determina empleando la siguiente ecuación:

PDTn =

PDTo * (1+ TC) n

(E-1)

en donde: • • • •

PDTn = Volumen diario de vehículos para el año "n" PDTo = Volumen diario de vehículos para el año inicial del período considerado. TC = Tasa de Crecimiento para el período de años en análisis, expresada en forma decimal n = Número de años del período considerado

° Composición del Tránsito: es la relación porcentual entre el volumen de tránsito correspondiente a cada diferente tipo de vehículos, expresado en función del volumen de tránsito total. ° Vehículos Livianos: son todos los vehículos de dos ejes y cuatro ruedas, tales como: automóviles, camionetas y camiones de dos ejes con ruedas traseras sencillas. ° Vehículos Pesados: son todos los autobuses y camiones, con no menos de seis ruedas y/o tres o mas ejes individuales (eje trasero con cuatro ruedas, en el caso de vehículos de dos ejes). Se clasifican de acuerdo a diferentes categorías señaladas en la Tabla 1, donde se indica tanto la nomenclatura que utiliza la Oficina de Planificación del Transporte Terrestre (O.P.T.T) del Ministerio de Infraestructura, como la establecida en la Norma "COVENIN 2402-86".

__________________________________________________________________________ 2-2


_____________________________________________________________________

Tabla 1 Tipos y características de los vehículos pesados que circulan normalmente por la red vial venezolana, con indicación del número de ejes por camión y la carga máxima total de acuerdo a la Norma COVENIN 614-1997

__________________________________________________________________________ 2-3


_____________________________________________________________________ Los tipos de camiones se dividen en los siguientes grupos, de acuerdo a la Norma COVENIN 2402-1986: (a) camiones unitarios: vehículos con sistema de tracción y de carga integrados en una sola unidad (2RD, y O3E) (b) Semitrailers: vehículo compuesto por una unidad de tracción que no lleva carga (chuto) que arrastra una plataforma o batea sobre la cual va la carga, y que tiene un solo grupo de ejes, ya sea simple o compuesto. Se identifican con un primer dígito que designa el número de ejes individuales del tractor, seguido por el carácter alfabético “S” (Semitrailer) y con un segundo dígito que designa el número de ejes individuadles de la plataforma remolcada (c) Remolques: vehículo compuesto por un camión unitario que arrastra un componente carente de motor con eje(s) delantero(s) y trasero(s) que descansa sobre sus propios ejes (remolque). Se identifican con un primer dígito que designa el número de ejes individuales del camiòn, seguido por el carácter alfabético “R” (Remolque) y con un segundo dígito que designa el número de ejes individuadles de la unidad remolcada. ° Período de Análisis: Se entiende como tal el número de años seleccionado para la comparación de las diversas alternativas de diseño; generalmente es de veinte (20) años para vías troncales y autopistas, aún cuando actualmente se está considerando un período de hasta treinta (30) años para autopistas urbanas. ° Período de Diseño: Es el número de años para el cual se diseña específicamente el pavimento; generalmente varía entre los ocho (8) y veinte (20) años, dependiendo del tipo de vía. En casos excepcionales pudiera reducirse el periodo de diseño hasta un mínimo de cinco (5) años. Al final del Período de Diseño puede esperarse que el pavimento requiera una carpeta asfáltica de refuerzo para restaurar su capacidad de servicio. La Tabla II resume los periodos de diseño recomendados por la Asociación Americana de Administradores de Carreteras y Transporte (AASHTO) y la correspondiente a la tipología de la red vial nacional Tabla 2 Periodos recomendados de diseño Tipo de vía según AASHTO Principal

Secundaria Terciaria

Según nomenclador vial venezolano Autopista urbana o rural de alto volumen y vía troncal

Periodo de diseño (años)

Vía local Vía ramal, sub-ramal o agrícola

12-15 8-12, con mínimo de 5 años

15-20

El "Período de Diseño" no debe ser confundido con la "Vida Útil" del pavimento, ni con el Período de Análisis; este último puede comprender varios Períodos de Diseño, como en el caso de la pavimentación por etapas. Por otra parte, la "Vida Útil" de un pavimento puede extenderse indefinidamente con la colocación de

__________________________________________________________________________ 2-4


_____________________________________________________________________ carpetas de refuerzo y otras medidas de rehabilitación, o durar mucho menos que lo estimado en el diseño, debido a fallas prematuras, o "sub-diseño" del pavimento • Obtención de los valores de tránsito para el diseño de pavimentos Normalmente el Ingeniero Proyectista de pavimentos recibe la información de tránsito que ha sido obtenida y procesada por la OPTT, o por especialistas consultores en esta área de la ingeniería; sin embargo, su responsabilidad es la de procesar adecuadamente tal información, y muchas veces, realizar mediciones en el sitio, con el fin de ajustar o verificar la información recibida. Debido a la importancia de este tema, se considera que en cualquier diseño de pavimentos debe participar un especialista en tráfico, con el fin de que esta variable de diseño, tan importante, o quizás más que la información de suelos y materiales, sea la más ajustada a las expectativas futuras de la facilidad vial. Es la opinión del Autor que en Venezuela no se le ha dado la importancia que realmente tiene la recolección y procesamiento de la información de tránsito para el diseño de pavimentos, y que se debe profundizar en los estudios de esta variable para cada diseño particular. A continuación se describe muy brevemente el proceso empleado en Venezuela para la obtención de la información de tránsito para el diseño de pavimentos: 1. Volumen y tipo de vehículos (a) Sistema de Primera Generación La antigua Oficina de Planeamiento Vial, adscrita al desaparecido Ministerio de Obras Públicas, implementó, desde el año 1963 y hasta el año 1976, un Sistema de Conteos de Tránsito en 1.606 puntos de la red vial nacional de carreteras, mediante el empleo de sistemas mecánicos por detectores neumáticos tales como los que se muestran en las siguientes figuras:

Los sistemas mecánicos por bandas neumáticas presentan la ventaja de su economía, pero su mayor limitación es que no clasifican los tipos de vehículos que sobre ellas circulan, por lo cual sus mediciones siempre deben ser corregidas por observaciones visuales, de tal manera que el número de “ejes registrados” se haga coincidir con los “ejes reales”. Esta corrección se hace a lo largo de un __________________________________________________________________________ 2-5


_____________________________________________________________________ tiempo determinado, y su “factor de corrección” se aplica a toda la medición, independientemente del tiempo que en que esta haya sido realizada. Esta actividad fue paralizada desde 1977 hasta 1979, cuando se inicia el Ministerio de Transporte y Comunicaciones. Entre los años 1979 y 1981 se reinicia esta actividad, pero prácticamente, desde 1982 se cubren cada vez un menor número de estaciones. Cada tipo de estación tiene la siguiente característica: ° Estaciones Permanentes (67 puntos de registro en la red vial): Son aquellas localizaciones de la carretera, señalizadas ó no, sobre las cuales se efectúan conteos del volumen de tránsito en forma continua, mediante dispositivos mecánicos (todas las horas del día y todos los días del año). Estas estaciones han sido hoy en día sustituidas por los puntos de peaje. ° Estaciones de Cobertura 1(395 puntos de registro en la red vial): Son aquellas localizaciones de la carretera, señalizadas ó no, sobre las cuales se efectúan conteos del volumen de tránsito mediante, dispositivos mecánicos en días laborales de 24 horas de duración, cada mes del año ° Estaciones de Cobertura 5 (1259 puntos de registro en la red vial): Son aquellas localizaciones de la carretera, señalizadas ó no, sobre las cuales se efectúan conteos del volumen de tránsito mediante, dispositivos mecánicos en días laborales de 24 horas de duración, tres veces al año (una vez cada cuatro meses) ° Estaciones Especiales: Son aquellas localizaciones en carreteras o vías urbanas, señalizadas ó no, sobre las cuales se efectúan conteos del volumen de tránsito mediante, dispositivos mecánicos en días laborales ó no, de 24 horas de duración, en cualquier momento La información recabada mediante este sistema de conteos no solamente ha permitido conocer las leyes que rigen la circulación del tránsito en la carreteras del país, sino que también ha servido para determinar los valores de los coeficientes de ajustes diarios y mensuales para los conteos realizados en "Estaciones de Cobertura 5", ubicadas sobre la red primaria. Es conveniente observar que las cifras presentadas en todas la estadísticas de tránsito publicadas hasta la fecha, incluyendo la última publicada en 1983, no han sido ajustadas mediante la aplicación de dichos coeficientes. También cabe observar que, aún cuando se sigue manteniendo la nomenclatura y los nombres de los tres tipos de estaciones creados en 1973, los conteos que se han venido realizando desde 1976 no se ajustan a las condiciones establecidas en la definición de cada tipo de estación. Mediante el análisis estadístico de los valores de tráfico correspondientes al período 1964-1968, se determinó que los máximos errores de estimación que podían contener las cifras presentadas en las estadísticas publicadas hasta 1976, y los cuales se consideran como válidos hasta la fecha actual, eran las indicadas en la Tabla 3, siempre que las mismas se refieran a carreteras de poco tránsito recreacional: __________________________________________________________________________ 2-6


_____________________________________________________________________ Tabla 3 Niveles de precisión y confianza de los valores de tráfico según el tipo de Estación de Conteo Tipo de Estación Permanente Cobertura 1 Cobertura 5

Precisión Error Ninguno 14.4 35.0

Nivel de confianza 100 95 95

Todos los análisis se basaron en la suposición de muestras aleatorias simples, así como de que los datos seguían una distribución normal o de Gauss. La Figura que se muestra a en la siguiente página corresponde a la información que suministra el MINFRA como resultado de uno de sus conteos mecánicos: Es conveniente señalar nuevamente que la Oficina de Planificación de Transporte Terrestre (OPTT) del Ministerio de Infraestructura (MINFRA) puede suministrar la información básica de tránsito de la mayor parte de la red vial venezolana. La determinación del volumen de tránsito actual en las vías nuevas, o que vayan a sufrir mejoras de consideración, requiere de un cúmulo de información que normalmente no está al alcance del proyectista de pavimentos; en estos casos generalmente habrá que obtener los valores de tránsito de la OPTT; si ésta no los tuviere se tendrá que realizar un estudio especial, directamente a través de ella o a través de especialistas en esta rama de la ingeniería. En esta Tabla 4 se presenta, para cada Estación de Conteo, la siguiente información: ° Número de la estación ° Identificación (Descripción del tramo vial en el cual está ubicada la estación de conteo ° Identificación de la vía (Troncal, local, etc.) ° Entidad Federal a la que pertenece el tramo vial ° Tipo de pavimento (asfalto, concreto, granzón, tierra) ° Año y valor del PDT ° Porcentaje de vehículos pesados ° Año de la última determinación del porcentaje de vehículos pesados

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_____________________________________________________________________

Figura 1: ejemplo de conteo vehicular por medios mecánicos

__________________________________________________________________________ 2-8


_____________________________________________________________________ La Tabla 4 muestra una de las hojas típicas de la publicación "Estadísticas de Tránsito, Período 1972-1981, Ministerio de Transporte y Comunicaciones, 1982". Tabla 4 "Estadísticas de Tránsito, Período 1972-1981 Ministerio de Transporte y Comunicaciones, 1982"

__________________________________________________________________________ 2-9

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

La información de tránsito, tal como es suministrada por la OPTT, puede ser utilizada para proyectar el tráfico futuro de una vía, en vez de utilizar la Fórmula (E1), cuando los valores de Tasa de Crecimiento no son constantes a lo largo de los años, que es el caso común. El procedimiento consiste en graficar la información, y obtener una curva y su correspondiente ecuación, tal como la que se presenta en la Figura 2, a partir de la cual se puede estimar el valor de tráfico en un año futuro cualquiera. (b) Sistemas de segunda generación Los sistemas de conteo vehicular por medios mecánicos ha sido mejorado gracias al desarrollo de equipos que utilizan diversos sistemas: eléctricos, fotoeléctricos, piezo-eléctricos, de radar, magnéticos, ultrasónicos, infrarrojos, etc. Desde comienzos de la década de los años 90, cuando se implementa en Venezuela el sistema de las “Concesiones de Mantenimiento”, se han instalado cerca de 62 “Estaciones de Peaje”, en los corredores viales de las troncales y autopistas, que emplean fundamentalmente los medios piezo-eléctricos o magnéticos para la obtención de la información de tránsito.

Peaje “El Rastro”, Estado Guárico

Estas estaciones de peaje han venido a reemplazar las “estaciones de conteo permanente” y registran la información diaria, no solo de número de vehículos, sino también clasifican los diferentes tipos de vehículos que atraviesan un peaje determinado. Su gran ventaja es que permiten registrar todos y cada uno de los diferentes vehículos que transitan por el punto de medición; en su contra se esgrime el argumento de que presentan un mayor costo de ejecución. Para la fecha actual (octubre 2004) el costo de una medición de una semana continua se aproxima a los 3.150.000 Bs. (1.640 US$).

_____________________________________________________________________ 2-1


Tabla 4-a: Ejemplo de registro mensual en la estación de Peaje Simón Planas, ubicada en la carretera Acarigua-Barquisimeto

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El modelo de registro anterior clasifica los vehículos no por “Tipo COVENIN”, sino en función del “tipo y Número de ejes”. La siguiente tabla describe, para este Peaje en particular, la tipología de cada clasificación: Clase 1 2 3 4 5 6 7 8

Descripción Vehículo liviano (pasajeros y pickup) Colectivos (2RD y O3E) Camión 2RD Carga liviana, Tipo 350 Camión 2RD Carga pesada, Tipo 750 Camión O3E y Semitrailers 2S1 Semitrailers y remolques de 4 ejes Semitrailers y remolques de 5 ejes Semitrailers y remolques de 6 o más ejes

Debe recordarse que, en el caso venezolano, cada estación de peaje puede tener su propia tabla de clasificación. La precisión de estos sistemas es del 100%, con la ventaja ya comentada que no solo permiten el registro del total de vehículos, sino aportan la información del conteo clasificado por tipo de vehículo. La información obtenida año tras año en los sitios de conteo, tal como se ilustra en la Tabla 4, permite estimar cómo será el volumen en una vía en un año futuro, por medio de proyecciones estadísticas, un ejemplo se presenta en la Figura 2. Figura 2 Ejemplo de proyección gráfica de valores futuros de tráfico en función de valores históricos

Registros históricos de volúmenes de tránsito. Límite Aragua-Distribuidor Santa Clara 20,000 18,000

PDT

16,000 14,000

y = 744.58x - 1E+06 R2 = 0.6243

12,000 10,000 8,000 6,000 4,000 1970

1972

1974

1976

1978

1980

1982

Año del conteo

_____________________________________________________________________ 2-12


A continuación se muestra la serie histórica del registro en una estación de peaje: Resultados de conteos en Carretera Acarigua-Barquisimeto Conteo en ambos sentidos Año 1998 1999 1999 1999 1999 1999 1999 1999 1999 1999 1999 1999

Mes

N° días Clase 1

Clase 2

Clase 3

Clase 4

Clase 5

Clase 6

Clase 7

Clase 8

Exonerados

Total

PDT

%Vp

10,688 18,316 18,878 21,132 17,119 18,495 17,799 17,989 17,698 18,584 18,260 19,265

7,078 13,143 13,447 15,260 12,092 12,859 12,094 12,053 12,095 13,354 12,608 13,157

1,095 2,276 2,435 2,701 2,293 2,315 2,074 2,043 2,120 2,343 2,194 2,355

1,152 2,181 1,946 2,269 1,982 1,962 1,684 1,513 1,614 1,527 1,722 1,660

5,103 8,928 8,107 10,715 9,707 9,931 8,811 8,098 9,034 7,825 8,014 7,826

3,734 7,212 6,826 8,010 7,052 7,218 6,438 5,960 6,357 6,372 6,827 6,477

1,359 1,727 1,312 1,372 1,276 1,514 1,606 1,435 1,356 1,228 1,373 1,213

127,036 208,640 195,912 220,239 195,834 208,074 199,167 206,187 217,595 211,691 213,333 212,181

7,058 6,730 6,997 7,104 6,528 6,712 6,639 6,651 7,019 7,056 6,882 7,073

26.46% 28.55% 30.11% 30.95% 29.35% 29.12% 28.33% 27.06% 26.60% 27.69% 27.47% 28.04%

1999 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000

Diciembre 18 92,057 4,770 Enero 31 147,339 7,518 Febrero 28 135,617 7,344 Marzo 31 150,700 8,080 Abril 30 137,073 7,240 Mayo 31 145,979 7,801 Junio 30 141,135 7,526 Julio 31 148,956 8,140 Agosto 31 158,348 8,973 Septiembre 30 151,845 8,613 Octubre 31 153,360 8,975 Noviembre 30 151,466 8,762 Inauguración Variante Los Cristales: Diciembre 99 Diciembre 31 166,937 9,265 Enero 31 161,029 9,154 Febrero 29 151,345 9,184 Marzo 31 167,646 10,412 Abril 30 170,846 10,338 Mayo 31 164,308 9,716 Junio 30 157,285 9,335 Julio 31 164,557 9,951 Agosto 31 178,448 10,725 Septiembre 30 171,303 10,109 Octubre 31 169,716 10,082

19,651 18,376 20,983 22,134 18,114 20,511 19,019 18,595 20,416 18,851 20,215

12,367 12,015 13,682 14,482 11,563 14,606 12,803 11,937 12,873 12,727 12,228

2,364 2,411 2,524 2,519 2,111 2,304 2,138 1,959 2,198 2,093 2,155

1,488 1,900 1,909 2,094 1,454 2,029 1,725 1,406 1,739 1,712 1,534

8,795 9,402 10,911 11,336 10,808 12,944 10,366 9,721 10,662 10,988 9,848

7,205 7,152 6,907 7,399 7,227 9,312 7,491 6,292 7,088 6,857 7,166

1,256 1,183 1,393 1,567 1,136 1,630 1,742 1,461 1,374 1,255 1,695

229,328 222,622 218,838 239,589 233,597 237,360 221,904 225,879 245,523 235,895 234,639

7,398 7,181 7,546 7,729 7,787 7,657 7,397 7,286 7,920 7,863 7,569

26.66% 27.14% 30.20% 29.37% 26.38% 30.09% 28.34% 26.50% 26.76% 26.85% 26.95%

2000 2000 2001 2001 2001 2001 2001 2001 2001

Noviembre Diciembre Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio

Total periodo Dic-99Julio-01

30 31 31 28 31 30 31 30 31

171,189 192,795 181,168 164,675 179,256 183,681 181,423 175,412 181,423

9,628 10,704 9,369 9,270 9,960 10,403 9,750 9,474 9,750

21,846 20,860 20,126 21,914 25,196 20,281 22,591 20,833 22,591

13,561 12,852 13,016 12,660 15,791 12,612 14,417 13,231 14,417

2,251 2,093 2,388 2,326 2,793 2,277 2,724 2,370 2,724

1,687 1,870 2,283 2,194 2,494 1,898 2,557 2,120 2,557

10,976 11,608 13,374 11,358 14,117 12,071 14,497 11,779 14,497

7,830 7,765 8,147 7,160 9,171 8,200 9,944 8,401 9,944

1,751 1,477 1,407 1,336 1,715 1,423 1,483 1,567 1,483

240,719 262,024 251,278 232,893 260,493 252,846 259,386 245,187 259,386

8,024 8,452 8,106 8,318 8,403 8,428 8,367 8,173 8,367

28.16% 25.86% 27.34% 28.72% 30.53% 26.79% 29.49% 27.82% 29.49%

609

3,434,442

196,579

413,103

263,840

46,722

38,650

230,058

156,658

29,334

4,809,386

7,897

27.98%

_____________________________________________________________________ 2-13


(c) Conteos visuales Aún cuando lo ideal es que el conteo vehicular –clasificado o no– se realice mediante el empleo de equipos, en el caso de que esto no sea posible, por razones de tiempo o carencia de recursos, siempre se podrá recurrir al sistema de contar los vehículos mediante la simple observación visual del paso del flujo vehicular. El conteo visual permite no solo determinar el total de vehículos que circulan por el punto de medición, sino que se obtiene un “conteo clasificado” ya que se contabiliza el número de cada tipo de vehículo que pasa por esa sección durante el tiempo de la medición. La planilla que se muestra a continuación puede ser utilizada para un conteo visual clasificado.

En esta planilla se detallan los tipos de vehículos mas comunes que circulan por la red vial venezolana. _____________________________________________________________________ 2-14


Lapso de medición de volúmenes de tránsito El lapso ideal para la realización de un conteo –ya que se elimina cualquier error por condiciones estacionales del flujo de vehículos– es de un (1) año. Cuando el conteo se realiza en estaciones de cobertura 1, o en peajes, automáticamente al correr del año se va registrando el volumen acumulado de vehículos. En otras ocasiones o puntos de medición, no es ni práctico ni económico, el que se disponga de este lapso de tiempo. Lo ideal entonces, es realizar una medición de un mes continuo. En caso de que esto tampoco sea posible, la medición debería ser de una (1) semana completa, en forma tal que se obtenga un registro de lunes a domingo. Si tampoco esto fuese posible, debería al menos disponerse de un registro de un día laboral y de un día de fin de semana (sábado o domingo). Si en alguno casos ni siquiera esto fueses posible, el conteo debe ser realizado en un día (24 horas) continuas, preferiblemente en un día laborable. Pudiera darse el caso de que ni aún pudiese contarse en un lapso de 24 horas; en este caso debe irse a un conteo de doce horas. Si ni aun pueden contarse en estas 12, debe irse a ocho (8) horas, y a veces solo podrá contarse durante una hora. En estos casos, el PDT debe ser obtenido dividiendo el número de vehículos contado durante el periodo entre el “factor de medición” que se indica en la siguiente tabla: Tabla 5 Estimaciones del PDT en función del conteo horario Total de conteo Horas continuas Factor de durante el lapso del conteo medición

PDT = (total conteo) / (factor de medición)

7:00 am—7:00 pm

12

0,754

8:00 am—4:00 pm

8

0,504

1 hora (hora pico)

1

0,083

Fuente: Corredor, G.: V Jornadas de Vialidad y Transporte, Valencia, 1998. En caso de no conocer la Hora pico de la carretera, puede estimarse de la Tabla 6 Tabla 6 Frecuencia de ocurrencia de las Horas-Pico Hora Pico 6:00 am-7:00 am 7:00 am-8:00 am 8:00 am-9:00 am 9:00 am-10:00 am 10:00 am- 11:00 am 11:00 am – 12:00 m 12:00 m – 1:00 pm 1:00 pm – 2:00 pm 2:00 pm – 3:00 pm

% de ocurrencia 6,45 10,75 5,37 6,45 2,15 3,23 1,08 2,15 5,38

Factor de medición horaria Promedio 0,091 0,087 0,073 0,082 0,081 0,082 0,086 0,089 0,083

Rango 0,062-0,131 0,065-0,112 0,065-0,082 0,069-0,096 0,080-0,081 0,075-0,094 0,086 0,082-0,095 0,070-0,108

_____________________________________________________________________ 2-15

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________ 3:00 pm- 4:00 pm 11,83 0,078 4:00 pm- 5:00 pm 12,90 0,081 5:00 pm- 6:00 pm 20,43 0,081 6:00 pm- 7:00 pm 9,68 0,082 7:00 pm- 8:00 pm 2,15 0,101 No se registraron horas pico fuera de las señaladas

0,061-0,096 0,068-0,105 0,065-0,153 0,070-0,109 0,075-0,127

Fuente: Corredor, G.: V Jornadas de Vialidad y Transporte, Valencia, 1998. Es evidente de la tabla anterior que, en caso de no conocer la Hora-pico, lo mas conveniente es realizar la medición entre las 5 y 6 de la tarde, ó entre las 4 y 5 de la tarde, ya que la mayoría de las carreteras presentaron horas-pico entre estas horas. 2. Peso total y peso por eje de los vehículos de carga Para el conteo de vehículos, tal como ha sido mencionado en párrafos anteriores, se podrá disponer desde de equipos electrónicos muy modernos, hasta una simple observación visual, pero siempre, aun en el caso de mayores dificultades, se podrá obtener o validar en campo la información de volúmenes de tránsito. Para el caso de determinación de las cargas en los vehículos, por el contrario, deberá contarse con sistemas de pesaje, los cuales serán realizados con balanzas con carga detenida, o a través de medios electrónicos. (a) Pesaje mediante el empleo de balanzas con carga detenida (a.1) Balanza de peso total Este sistema permite la medición de la carga de un vehículo por medio de una balanza, normalmente mecánica, sobre la cual el vehículo debe estar detenido. Las balanzas que se emplean son del “tipo romana”, sobre la cual se coloca todo el vehículo, y registran su peso total. Pueden ser empleadas para determinar el peso por eje, o grupo de ejes, desplazando el vehículo sobre la balanza, en forma tal que sobre la balanza solo esté cargando el eje, o grupo de ejes, que se desea pesar. Este tipo de balanza es el que se emplea en los sitios en que pesan los vehículos para el control de carga y sobre-carga. Son de tipo fijo, aun cuando se dispone de algunos modelos portátiles. (a.2) Balanzas de peso por rueda Mediante este tipo de balanzas portátiles se logra determinar el peso por cada rueda o conjunto de ruedas en un eje. Se ubican en sitios estratégicamente seleccionados y requieren de un número alto de operadores: uno por cada juego de balanzas, dos o tres señaleros y un jefe de grupo. Lo ideal, para que el sistema sea mas rápido, es que se disponga de siete (7) balanzas, de modo que pueda colocarse una bajo cada grupo de ejes. Su precio de adquisición es relativamente bajo pero tienen poco rendimiento. En un día de trabajo se pueden pesar entre 40 y 60 vehículos. Una de sus grandes limitaciones es que la muestra del pesaje debe ser muy bien diseñada, en forma tal que represente el universo de vehículos que circulan por la vía en estudio.

_____________________________________________________________________ 2-16


La siguiente figura presenta una balanza de peso total:

Y las dos figuras que se incluyen a continuación corresponden al modelo de balanzas portátiles de carga por rueda:

(b) Pesaje mediante el empleo de balanzas con carga en movimiento (WIM) Gracias a la electrónica, hoy en día se dispone de medios mucho mas rápidos y seguros para el pesaje de vehículos. Estos dispositivos permiten pesar cualquier vehículo, eje a eje y peso total, sin obligarlo a detenerse; se conocen como sistemas “WIM” por sus siglas en inglés Weigh In Motion”.

_____________________________________________________________________ 2-17


El costo de un pesaje total de vehículos alcanza a la fecha a un valor cercano a los 750.000 Bs por día (375 US$ al cambio actual de 2.000 Bs/US$). La característica mas importante de este sistema es su confiabilidad, ya que permite obtener y registrar el peso de cada vehículo, es decir el 100% de la muestra bajo medición, sin interrupción alguna de tránsito, ya que el sistema se compone de una serie de cables co-axiales empotrados o adheridos sobre el pavimento. Detalle de sensores piezo-eléctricos adheridos sobre el pavimento

El siguiente esquema muestra el procedimiento de recolección de la data de pesaje por medio de un sensor piezo-eléctrico:

_____________________________________________________________________ 2-18


• Utilización de la información de tránsito para el diseño de pavimentos La información de tránsito que interesa al proyectista de pavimentos debe comprender: • el volumen de tránsito, es decir el número de vehículos que utilizará la facilidad vial • la composición del tránsito, es decir la identificación de los tipos de vehículos que circularán sobre el pavimento • la intensidad de la carga, lo cual significa el determinar el peso de los vehículos vacíos más el de la carga que transportan • la configuración de los ejes que transmiten las cargas al pavimento • el canal de circulación que servirá como patrón de diseño • Volumen de tránsito El número de vehículos que circulará sobre la vía será determinado, tal como ha sido ya señalado, en función de las estadísticas y estudios de tránsito, y/o mediciones reales de campo. Debe conocerse tanto el volumen para el año inicial de diseño, como la tasa de crecimiento interanual para el período de diseño. • Composición del tránsito El número de vehículos de pasajeros, el número y tipo de vehículos pesados es obtenido también de los conteos y proyecciones de tráfico. En la Tabla I se presentaron los tipos de vehículos de carga más comunes en Venezuela • Intensidad de carga El total del peso del vehículo, tanto vacío como cargado, según sea el caso, también se obtiene en las "Estaciones de pesaje", mediante el uso de un sistema de balanzas que permiten determinar tanto el peso bruto total, como el peso en cada uno de los ejes del vehículo. En la Tabla I se presentaron las cargas máximas para cada uno de los diversos tipos de vehículos pesados, y más adelante se tocará el tema referente a la carga que transmiten los cauchos sobre el pavimento • Configuración de los ejes que transmiten las cargas al pavimento Una de las piezas de información más importantes en cuanto al tráfico se refiere, es la manera como se aplicará la carga sobre el pavimento, es decir cuantos ejes, y de qué tipo son esos ejes (número de ruedas por eje, número de ejes, separación entre ejes, presión de inflado, etc.) A este respecto es conveniente definir los tipos de ejes que pueden ser encontrados en los vehículos que transitan sobre nuestros pavimentos, de acuerdo a lo establecido en la Norma COVENIN 2402-86 (Tipología de vehículos de carga):

_____________________________________________________________________ 2-19


Ejes Simples: Son ejes sencillos de dos o cuatro ruedas

Ejes Tandem (dobles): Es el conjunto de dos ejes sencillos, separados entre 1,20 y 1,60 metros aproximadamente, que tienen una suspensión común

_____________________________________________________________________ 2-20


Ejes Triples: es el conjunto de tres ejes sencillos, separados entre 1,20 y 1,40 metros aproximadamente, los cuales no tienen una suspensión común

• Canal de circulación que servirá como patrón de diseño Es necesario, además conocer como se distribuirá el flujo de vehículos en ambos sentidos de la vía. A tal efecto se aplican los siguientes conceptos: • Tránsito Balanceado: se denomina así cuando la composición, volumen e intensidad de carga en una vía es similar en ambas direcciones. • Tránsito Desbalanceado: cuando no se cumple la definición anterior en la circulación del tráfico en la vía • Canal de Diseño: es aquel canal de una vía que estará sometido a las condiciones más severas de carga y por lo tanto será el que controle el diseño del pavimento. En una carretera de dos vías con tránsito balanceado, es cualquiera de los dos canales de circulación. En una vía de varios canales, el Canal de Diseño corresponderá, normalmente, al canal de circulación lenta del sentido más cargado, a menos que exista una información de tránsito que permita conocer específicamente cual será ese canal más cargado. En vías de múltiples canales con isla central y tránsito desbalanceado, puede seleccionarse un canal de diseño para cada sentido.

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• Determinación del efecto de las cargas transmitidas por los diferentes ejes sobre un pavimento flexible Uno de los factores de diseño que presenta mayor variabilidad es el correspondiente al efecto de las cargas que transmiten los vehículos. Cualquier observador, por más inexperto que sea en el área de pavimentos, no puede dejar de notar que por una sección dada de pavimento circulan diariamente un sinnúmero de tipos de vehículos, y un mayor número de tipos de carga: observará para un mismo tipo de camión que algunos circularán vacíos, otros cargados con cemento, otros con cerveza, otros con materiales de construcción, etc.; además la condición de variabilidad descrita se repetirá para cada tipo de camión sobre la vía. Es necesario, en consecuencia, transformar toda esa gama de realidades de formas e intensidades de carga, en un valor que los represente y que sea simplemente obtenible y manejable. Por esta razón se definió un "Eje Patrón" que representa la carga estándar, o normalizada. En Venezuela, como en la gran mayoría de los países occidentales, este "eje patrón" contempla una carga por eje simple de cuatro ruedas de 8.200 kg (80 KN ó 18.000 libras) Adicionalmente fue necesario asignar a este eje patrón un valor del efecto que causaba al pasar sobre un pavimento, este efecto se conoce como "factor daño", y para una carga patrón de 18 kips, sobre un eje simple de cuatro ruedas (o ruedas morochas), se le asignó un valor unitario, es decir cada vez que un eje simple de 18.000 lbs pasa sobre una sección de un pavimento flexible, causa sobre ese pavimento un daño igual a uno (1). Como consecuencia de esta simplificación surge la definición de los "Factores de equivalencia de cargas", que "son valores numéricos que definen el daño que causa el paso de un vehículo, o eje determinado, sobre una sección de pavimento en una manera relativa al daño que el vehículo, o eje patrón, causa al pasar sobre la misma sección de pavimento", o dicho de otra manera, los "Factores de Equivalencia" transforman las repeticiones de un eje cualquiera, a un número de repeticiones del eje patrón que causan el mismo efecto daño sobre el pavimento que el daño causado por ese eje cualquiera. Los "Factores de Equivalencia" para los ejes simples y tandem (dobles y triples) son los derivados empíricamente en el Ensayo Vial AASHO en función no solo de la magnitud de la carga y la configuración del eje que la transmite al pavimento, sino también del tipo de pavimento (flexible o rígido), del espesor del pavimento y de la condición final de calidad de rodaje del pavimento para el momento final del periodo de diseño y obedecen, en una forma muy simplificada, a la relación exponencial siguiente:

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Factor de equivalencia 4 normalizada]^

=

[Carga

en

eje

/

Carga

Si se establece como carga normalizada los valores de 6.6 ton en eje simple de dos ruedas, de 8.2 ton en ejes simple de cuatro ruedas y ejes tandem dobles, y de 23 ton en eje tandem triple, los “factores de equivalencia” toman las expresiones aproximadas siguientes:

(Fei

simple de dos ruedas)

(Fei

simple de cuatro ruedas)

(Fei

doble)

4

= (Carga por eje (i) / 6.6)^

(E-

2) 4

= (Carga por eje (i) / 8.2)^

(E-

3) 4

= (0,57 * Carga por eje doble (i) /8.2)^

(E-

4) (FEitriple) = (Carga por eje triple (t)/23) 4,22

(E-

5) Ejemplos de estimación de los ejes equivalentes: Ejemplo 1 Camión semitrailer 3S3 con 48 toneladas de carga total

Eje individual Carga (Ton) Eje de carga Toneladas en eje de carga Factor de equivalencia Ejes equivalentes causados por el paso de este vehículo (Factor daño)

Eje 1 5,76 Simple dos ruedas 5,76 0,58

Eje 2 Eje 3 7,68 9,12 Tandem doble (Eje 2 + eje 3)

Eje 4 8,16

16,80 1,86

Eje 5 Eje 6 10,56 6,72 Tandem triple (eje 4 + eje 5 + eje 6) 25,44 1,53

(0,58 + 1,86 + 1,53 ) 3,97 Es decir que el paso de este camión causa el mismo daño sobre el pavimento que el causaría un “camión virtual de 3,97 ejes simples de cuatro ruedas, cada eje cargado con 8,2 toneladas

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Ejemplo 2 El mismo Camión semitrailer 3S3 pero con 96 toneladas de carga total


Eje 1 11,52 Simple dos ruedas

Eje 2 Eje 3 15,36 18,24 Tandem doble (Eje 2 + eje 3)

11,52 9,28

Eje 4 16,32

Eje 5 Eje 6 21,12 13,44 Tandem triple (eje 4 + eje 5 + eje 6)

33,60 29,76

50,88 28,52

(9,28 + 29,76 + 28,52) 67,56 Es decir que el paso de este camión causa el mismo daño sobre el pavimento que el causaría un “camión virtual de 62,99 ejes simples de cuatro ruedas, cada eje cargado con 8,2 toneladas. La carga, en este ejemplo se dobló, pero el efecto daño fue prácticamente 16 veces mayor.

El “Factor camión” de esta flota de dos camiones sería igual a: FC = (3,97 + 67,56) / 2 = 35,76 ejes equivalentes Ejemplo 3 Camión Semitrailer 3S2 con una carga de 55 toneladas


Eje 1

Eje 2

6,60 Simple dos ruedas 6,60 1,00

Eje 3 8,25

Eje 4 10,45

Eje 5 16,24

13,46

Tandem doble (Eje 2 + eje 3) 18,70

Tandem doble (Eje 4 + eje 5) 29,70

2,86

18,17

(1,00 + 2,86+ 18,17) 22,03 Es decir que el paso de este camión causa el mismo daño sobre el pavimento que el causaría un “camión virtual de 22,03 ejes simples de cuatro ruedas, cada eje cargado con 8,2 toneladas.

El “Factor camión” de esta flota de tres camiones sería igual a: FC = (3,97 + 67,56 +22,03 ) / 3 = 31,18 ejes equivalentes

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Ejemplo 4 Camión Remolque 3R3 cargado con 55 toneladas


Eje 1 4,95 Simple dos ruedas 4,95

Eje 2 Eje 3 8,25 8,25 Tandem doble (Eje 2 + eje 3) 16,50

Eje 4 12,65 Simple cuatro ruedas 12,65

Eje 5 Eje 6 10,45 10,45 Tandem doble (Eje 5 + eje 6) 20,90

0,32

1,73

5,66

4,46

(0,32 + 1,73 + 5,66 + 4,46) 12,17 Es decir que el paso de este camión causa el mismo daño sobre el pavimento que el causaría un “camión virtual de 12,17 ejes simples de cuatro ruedas, cada eje cargado con 8,2 toneladas.

El “Factor camión” de esta flota de cuatro camiones sería igual a: FC = (3,97 + 67,56 +22,03 + 12,17) / 4 = 26,43 ejes equivalentes Ejemplo 5 Un Camión Tipo O3E autobús cargado con 20 toneladas


Eje 1 4.80 Simple dos ruedas 4,80 0,28

Eje 2 7,60

Eje 3 7,60 Tandem doble (Eje 2 + eje 3) 15,20 1,25

(0,28 + 1,25 ) 1,53 Es decir que el paso de este camión causa el mismo daño sobre el pavimento que el causaría un “camión virtual de 1,53 ejes simples de cuatro ruedas, cada eje cargado con 8,2 toneladas.

El “Factor camión” de esta flota de cinco camiones sería igual a: FC = (3,97 + 67,56 +22,03 + 12,17 + 1,53) / 5 = 21,45 ejes equivalentes

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• Metodología para el cálculo del Número de Cargas Equivalentes (REE o Wt18) para el diseño de pavimentos La determinación de las cargas que actuarán sobre un pavimento, en su período de diseño, se basa en la aplicación de la Ecuación E-6

REE = Wt18 = EEo * {(1+TC)^n – 1)} / TC

(E-6)

en donde: REE = cargas equivalentes totales en el período de diseño EEo = cargas equivalentes acumuladas en el primer año de diseño Siendo EEo igual a:

EEo = PDTo * %Vp * FC * fds * fuc * A * D

(E-7)

en donde: PDTo = volumen diario del total de vehículos (livianos + pesados), para cualquier día el año inicial de diseño. %Vp = número de vehículos pesados, expresado en forma decimal, como porcentaje del PDT. El resultado de la expresión (PDTo * %Vp), se define como VTPi y es igual al volumen diario de tráfico pesado —o número de camiones— para el año inicial de diseño. Por otra parte, uno de los valores más importantes es el que corresponde al término "FC", el cual se define como "Factor camión", y es igual al número de cargas equivalentes promedio por camión, y se obtiene dividiendo el valor obtenido al sumar el total de cargas equivalentes de cada camión, de un número dado de camiones que circulan por una sección de carretera, entre el número total de camiones considerados en la sumatoria de los ejes equivalentes. (véanse ejemplos de estimación de ejes equivalentes por tipo de camión) El Factor Camión es una constante característica de la distribución de frecuencia de eje por rango de carga e independiente del número de vehículos; es decir no depende del número de camiones a partir de los cuales se determine, pero sí de la conformación, o distribución de los diversos camiones dentro del total del tráfico pesado diario de la vía en estudio. El Factor Camión permanece constante si la distribución de los tipos y cargas de los camiones permanece invariable. Por lo contrario, si se modifica en algo el porcentaje de vehículos cargados, o el tipo de carga, o los tipos de camiones dentro del total de vehículos diarios, el FC se variará con respecto al anterior. _____________________________________________________________________ 2-26


Los otros términos considerados en la Ecuación (E-7) son: Factor de distribución por sentido (fds) El factor de distribución por sentido (fds) permite cuantificar la fracción del total del tránsito que circulará en el sentido de diseño, y sus valores son los que se indican en la Tabla 7. Tabla 7 Valores del Factor de distribución por sentido Modo de medición del PDT En ambos sentidos Por sentido de circulación

Valor del fds 0,50 1,00

Factor de utilización de canal (fuc) Este valor permite asignar al canal de diseño, la fracción del total de vehículos que circulará por este canal, y su valor se selecciona de acuerdo a lo indicado en la Tabla 9: En Venezuela tradicionalmente sus valores han sido los siguientes —para el tránsito ya asignado al sentido de circulación: (a) para un canal por sentido, el fuc=1,0 (b) para dos canales por sentido, el fuc=0,90; y (c) para tres o mas canales por sentido, el fuc = 0,80. La Tabla 8, presenta unos valores de “fuc” no sólo en función del número de canales por sentido, sino también del número de vehículos totales que circulan por el sentido de diseño: Tabla 8 Valores recomendados de factor de utilización de canal Fuente: NCHRP Project 1-32: Pavement Design Tools, Eres Consultants, Inc. 1998 PDT en un Vía de dos (2) canales solo sentido por sentido de circulación Canal Canal rápido lento 2.000 0,06 0,94 4.000 0,12 0,88 6.000 0.15 0,85 8.000 0,18 0,82 10.000 0,19 0,81 15.000 0,23 0,77 20.000 0,25 0,75 25.000 0,27 0,73 30.000 0,28 0,72 35.000 0,30 0,70 40.000 0,31 0,69 50.000 0,33 0,67 60.000 0,34 0,66 70.000 80.000 100.000 -

Vía de más de dos (2) canales por sentido de circulación Canal(es) rápido(s) 0,06 0,06 0,07 0,07 0,07 0,07 0,07 0,07 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,09

Canal central 0,12 0,18 0,21 0,23 0,28 0,28 0,30 0,32 0,33 0,34 0,35 0,37 0,39 0,40 0,41 0,42

Canal lento 0,82 0,76 0,72 0,70 0,68 0,65 0,63 0,61 0,59 0,58 0,57 0,55 0,53 0,52 0,51 0,49

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Factor de Ajuste por Tránsito Desbalanceado (A) Este factor reconoce que, cuándo la medición de los volúmenes de tránsito se hace por ambos sentidos, lo normal es que uno de los polos generadores de tránsito resulte con un mayor número de vehículos, y con mayor carga, que el otro polo. La Tabla 9 presenta los valores tradicionalmente empleados en Venezuela, así como los resultantes de las mediciones obtenidas en investigaciones de tránsito en Venezuela.. Tabla 9 Factores de Ajuste por Tránsito Desbalanceado (A) Tipo de tránsito, con conteo en ambos Factor de Ajuste (A) sentidos Tránsito desbalanceado en la mayoría de 1,05 – 1,35 las vías (1,20 valor más común) (Nota 1) Tránsito desbalanceado en vías mineras 1,90 (Nota 1) Tránsito desbalanceado en la mayoría de 1,03 – 1,53 las vías (1,23 valor promedio) (Nota 2) Vías con tránsito balanceado, o conteos 1,00 en un solo sentido Nota 1: fuente: Ing. Luis Salamé R. “Método Venezolano para el Diseño de Pavimentos Flexibles”. Nota 2: fuente: elaboración propia Número de días por año en que las variables anteriores son aplicables (D) En Venezuela se ha venido aplicando la fórmula para la estimación de las cargas totales acumuladas en el período de diseño, para un total de 365 días por año, lo cual es válido cuando se considera que (a) el valor de PDT ha sido determinado para el promedio de, al menos los siete días de la semana, es decir tanto los días laborables (Lunes a Viernes), como los Sábados y Domingos, y (b) que las condiciones restantes del tránsito (%Vp, FC, etc.) se aplican a lo largo de los 365 días. En la mayoría de los casos estas dos premisas no se cumplen a lo largo del año: es suficiente destacar las carreteras en zonas agrícolas, en las cuales hay meses de siembra y meses de cosecha y transporte; es evidente que en ambos lapsos no se aplican las mismas cargas, ni circulan los mismos números de camiones. Es conveniente, en consecuencia, comenzar a diferenciar en, al menos, días de trabajo (Lunes a Viernes) y días de descanso (Sábados y Domingos), y aplicar a cada grupo de días los correspondientes valores de las otras variables independientes que han sido citadas. La misma situación sucede en cualquier otra vía: un menor número de camiones transita los fines de semana y los días feriados, ya que los conductores de estos vehículos también toman su descanso de sábados y Domingos. Conviene, en consecuencia, comenzar a diferenciar cada una de las variables independientes de tránsito para estos dos grupos de días: PDT, %Vp, y Factor Camión.

_____________________________________________________________________ 2-28


Factor de Crecimiento (F): Es un factor que toma en cuenta la variación del volumen de tránsito en el período de diseño considerado, y se utiliza para determinar las cargas equivalentes acumuladas. Los valores del Factor de Crecimiento (F) se presentan en la Tabla IX, y son función de la Tasa de Crecimiento (TC o “r”) y del período de diseño (n), en años. El Factor de crecimiento se calcula a partir de cualquiera de las expresiones siguientes, y ha ya sido comentado en la Ecuación 6::

FC = { (1 + TC) n — 1} / TC O también:

FC = { (1 + r) n — 1} / (ln (1+r) La tasa de crecimiento interanual (TC), permite integrar el crecimiento del tránsito a lo largo del período de diseño, y en el caso de que no pueda ser obtenido de los registros históricos de tránsito, pueden emplearse los resultados de mediciones en el año 1993 que arrojan los resultados que se presentan en la Tabla 10. Tabla 10 Valores de Tasa de Crecimiento Interanual Fuente: Corredor, G.: V Jornadas de Vialidad y Transporte, Valencia, 1998. Criterio estadístico Promedio Desviación estándar Valor mínimo Valor máximo

Valor 4,20 % 1,80% 0,24% 8,28%

_____________________________________________________________________ 2-29


La tabla 11 presenta los valores de F, calculados a partir de la primera expresión: Tabla 11 Factores de Crecimiento

_____________________________________________________________________ 2-30


Estimación del Factor Camión para el caso en que no pueden pesarse los camiones. •• En nuestro país, tal como ha sido señalado en varias oportunidades anteriores, puede ocurrir que la información de tránsito no está disponible, o no puede ser actualizada fácilmente. El Ingeniero siempre podrá realizar conteos clasificados, aun cuando sea por el método visual, pero si no dispone de balanzas evidentemente no podrá pesar los vehículos. Esta situación es muy común en nuestro paìs. Esta situación puede presentarse, por otra parte, cuando se requiere una estimación rápida del número de cargas equivalentes aproximadas, para realizar la determinación de los espesores de un pavimento a los fines de anteproyecto, o de decisiones administrativas de programación de inversiones anuales. Para lograr en estos casos la determinación de los valores del Factor Camión, el proyectista podrá utilizar una de varias tablas que proporcionan valores de FC en función de ciertos niveles de información, los cuales se señalan en cada tabla en particular. Estas tablas fueron inicialmente (1982) elaboradas por los Ings. Luis Salamé, Andrés Pinaud, William Stalhuth y Arturo Carvajal, durante el desarrollo del "Método Venezolano para el Diseño de Pavimentos Flexibles para Carreteras", y han facilitado enormemente el trabajo de los ingenieros de pavimentos. Hoy en día han sido actualizadas a través de Trabajos Especiales de Grado desarrollados en las Universidades Santa María y Metropolitana en Caracas. Es indudable que, mientras sea posible, deberá recurrirse al procedimiento de calcular el valor del FC en función de la información de la distribución de Frecuencia de Ejes por Rangos de Cargas, y en el caso de que tal hecho no pueda ser logrado, el proyectista deberá aplicar su criterio para hacer la mejor selección de aquella tabla que mejor representa el nivel de información de que pueda disponer. Se recomienda en estos casos, el tratar de realizar al menos conteos de número y tipos de vehículos, ya que los valores así obtenidos podrán ser comparados con los de las diversas tablas y tomar la decisión más conveniente, aplicando el buen juicio ingenieril y la experiencia personal.

_____________________________________________________________________ 2-31


Tabla 12 Factor Camión por Tipo de Vehículo para vías de tránsito muy pesado Valores de Factor Camión para vías con condición de "tránsito muy pesado"

% en la Tipo de camión distribución % cargados 2RD autobús 9.35 82.45

2RD camión O3Eautobús O3Ecamión 2S1 2S2 2S3 3S1 3S2 3S3 2R2 2R3 3R2 3R3 3R4 Total

% vacíos 17.55

Factor Camión Vacío 0.13

Factor Factor Camión Camión Cargado Ponderado 1.68 2.01

0.64

96.33

3.67

0.26

12.89

4.65 0.96 8.45 4.84 9.73 10.55 5.17 14.21 10.03 9.79 17.09 10.04 14.18 12.43

100.00

84.34

15.66

0.244

7.795

6.613

51.67

83.82

16.18

0.14

5.52

0.28

87.32

12.68

0.15

1.08

13.57

80.17

19.83

0.33

10.46

0.66

33.75

66.25

0.68

13.02

4.64

79.46

20.54

0.23

12.18

0.23

91.58

8.42

0.04

11.51

0.75

37.53

62.47

1.62

11.08

9.48

94.71

5.29

0.19

15.00

6.98

95.33

4.67

0.16

10.51

0.44

72.65

27.35

0.29

13.37

0.28

89.41

10.59

0.52

19.05

0.19 0.84

83.43 98.06

16.57 1.94

0.09 0.46

12.01 14.45

Fuente: Pesajes en la red vial venezolana, 1983-1995 Gustavo Corredor M. 2003 Procesamiento de pesaje en 96.949 camiones a través de Trabajos Especiales de Grado en USM y UNIMET, incluyendo la data original del Ing. Luis Salamé R(+) del año 1983 y pesajes realizados por el Ing. Salvador Pulido (Pisigma c.a.), en un total de 19 vías troncales de la red vial venezolana con características de tránsito muy pesado, y las Autopistas Caracas-La Guaira, Centrooccidental y Caracas-Tejerías (TO-01).

Tabla 13 Factor Camión por número de ejes, para vías de tránsito muy pesado Valores de Factor Camión para vías con condición de "tránsito muy pesado"

Tipo de camión

2 ejes 3 ejes 4 ejes 5 ejes 6 ejes 7 ejes Total

% en la distribución % cargados 61.02 83.61

% vacíos 16.39

Factor Camión Vacío 0.14


14.51

78.19

21.81

0.38

10.30

5.83

73.54

26.46

0.66

12.20

10.18

94.28

5.72

0.20

14.98

7.82

95.62

4.38

0.17

10.94

0.64

96.33

3.67

0.26

12.89

8.14 9.14 14.13 10.47 12.43

100.00

84.34

15.66

0.244

7.795

6.613

Fuente: Pesajes en la red vial venezolana, 1983-1995

Gustavo Corredor M. 2003

Procesamiento de pesaje en 96.949 camiones a través de Trabajos Especiales de Grado en USM y UNIMET, incluyendo la data original del Ing. Luis Salamé R(+) del año 1983 y pesajes realizados por el Ing. Salvador Pulido (Pisigma c.a.), en un total de 19 vías troncales de la red vial venezolana con características de tránsito muy pesado, y las Autopistas Caracas-La Guaira, Centrooccidental y Caracas-Tejerías (TO-01).

_____________________________________________________________________ 2-32


La Tabla 13 es muy útil cuando se procesa la información proveniente de las Plazas de Peaje, ya que en ellas los vehículos se clasifican por “número de ejes” Tabla 14 Factor Camión por Tipo de Vehículo para vías de tránsito medio a liviano Fuente: 1er. Simveas, Valencia, Octubre de 2000. % en la % Tipo de camión distribución cargados % vacíos 13.30 100.00 0.00 2RD autobús

2RD camión O3E 2S1 2S2 2S3 3S1 3S2 3S3 2R2 2R3 3R2 3R3 3R4 Total

Factor Camión Vacío -


55.60

49.62

50.38

0.11

3.82

12.26

58.91

41.09

0.20

6.78

1.04

51.28

48.72

0.18

3.81

0.00

100.00

0.19

0.13

40.00

60.00

0.00

0.00

0.00

5.84

68.49

31.51

0.13

7.16

4.98

81.28

18.72

0.21

8.98

0.11

100.00

0.00

0.77

72.41

27.59

0

0

0

0.96

83.33

16.67

0.19

11.40

1.20

79.20

20.80

0.06

10.21

100.00

59.16

40.84

0.13

4.47

Fuente: Pesajes en la red vial venezolana, 1995

6.09 -

0.11 -

6.21

-

-

-

11.85 0.38

-

1.95 4.08 3.21 0.19 2.55

5.63 -

4.94 7.34 11.85 4.18 9.53 8.10 2.70

Gustavo Corredor M. 1999

Procesamiento de pesaje en 3.752 camiones a través de Trabajos Especiales de Grado en USM y UNIMET, a partir de pesajes realizados por el Ing. Salvador Pulido (Pisigma c.a.), en un total de 15 vías de la red vial venezolana con características de tránsito medio a bajo.

* Número de días por año en que las variables anteriores son aplicables (D) En Venezuela se ha venido aplicando la fórmula para la estimación de las cargas totales acumuladas en el período de diseño, para un total de 365 días por año, lo cual es válido cuando se considera que (a) el valor de PDT ha sido determinado para el promedio de, al menos los siete días de la semana, es decir tanto los días laborables (Lunes a Viernes), como los Sábados y Domingos, y (b) que las condiciones restantes del tránsito (%Vp, FC, etc.) se aplican a lo largo de los 365 días. En la mayoría de los casos estas dos premisas no se cumplen a lo largo del año: es suficiente destacar las carreteras en zonas agrícolas, en las cuales hay meses de siembra y meses de cosecha y transporte; es evidente que en ambos lapsos no se aplican las mismas cargas, ni circulan los mismos números de camiones. Es conveniente, en consecuencia, comenzar a diferenciar en, al menos, días de trabajo (Lunes a Viernes) y días de descanso (Sábados y Domingos), y aplicar a cada grupo de días los correspondientes valores de las otras variables independientes que han sido citadas. La misma situación sucede en cualquier otra vía: un menor número de camiones transita los fines de semana y los días feriados, ya que los conductores de estos vehículos también toman su descanso de Sábados y Domingos. Conviene, en consecuencia, comenzar a diferenciar cada una de las variables independientes de tránsito para estos dos grupos de días: PDT, %Vp, y Factor Camión. _____________________________________________________________________ 2-33


Análisis estadísticos de estas variables, en un número de 9 vías, arrojan los siguientes resultados: Tabla 15 Variables de tránsito para sábados y domingos, expresados como porcentajes de los valores correspondientes para días laborables

Variable de tránsito Promedio diario de tránsito (PDT) % de vehículos pesados (%Vp) Factor Camión Ponderado Total Cargas Equivalentes diarias

% correspondiente para los días de fín de semana Promedio (%) Rango (%) 94,1 83,0 — 111,9 63,3 54,4 — 70,0 80,5 70,1 — 89,1 48,3 34,8 — 69,2

De igual manera, si se dispone de la distribución de camiones de los días laborables, se puede estimar la distribución en fines de semana, de acuerdo a los porcentajes indicados en la Tabla 16. De todos estos valores el más significativo es, sin duda, el correspondiente a las cargas equivalentes diarias, que permitiría expresar la Ecuación de EEo de la siguiente manera:

EEo = [PDT(l-v) * %Vp(l-v) * FC(l-v)] * [251 + 0,483 * 114] * [fds * fuc * A] En donde el subíndice (l-v) representa los valores de cada factor de tránsito para los días laborables, la cifra de 251 corresponde a los días laborables, resultantes de descontar a los 365 días del año 104 Sábados y Domingos más un estimado de 10 días festivos adicionales, y el valor de 0,483 es el promedio obtenido de las cargas equivalentes diarias de fines de semana, expresado como fracción del correspondiente valor de lunes a viernes. Actualmente se están adelantando dos Trabajos de Grado en la Universidad CentroOccidental Lisandro Alvarado (UCLA). En la primera en los que se persigue validar la ecuación anterior para un mayor universo de datos estadísticos, y en la segunda se espera determinar la relación entre las mediciones de tránsito (fundamentalmente conteos clasificados) realizados en un mes o semana determinado y el valor correspondiente obtenido en una medición continua a lo largo de un año.

_____________________________________________________________________ 2-34


Tabla 16 Distribución de camiones de fines de semana, expresada como % del número diario correspondiente de Lunes a Viernes. Tipo de vehículo Autobusete Autobús 2 ejes liviano (350) 2 ejes pesado (750) 3 ejes 4 ejes 5 ejes 6 + ejes

% correspondiente para los días de fín de semana Promedio (%) Rango (%) 190,8 136,6 — 260,1 184,1 142,6 — 225,1 125,7 98,2 — 248,1 80,6 65,5 — 102,1 72,7 47,1 — 93,1 63,8 23,7 — 86,7 66,5 41,2 — 81,2 66,0 43,2 — 81,9

Otra Tabla de interés A continuación se transcribe la Tabla 17, la cual permite estimar el Factor Camión Ponderado Total por Estado, y la cual es muy útil cuando se realizan estimaciones de inversión en planes regionales de pavimentación, o en cualquier otro trabajo de planificación. Tabla 17 Valores Promedio del Factor Camión para las diferentes Entidades del País Entidad

Amazonas Anzoátegui Apure Aragua Barinas Bolívar Carabobo Cojedes Delta Amacuro Dtto. Federal Falcón Lara Mérida Miranda Monagas Nueva Esparta Portuguesa Sucre Trujillo Zulia

Factor Camión Promedio Ponderado 1,29 2,05 1,42 3,77 1,42 6,69 3,93 1,42 1,29 3,61 3,03 1,42 1,29 3,61 2,05 1,25 1,42 2,05 1,47 3,45

Fuente: II Taller “Evaluación y Clasificación de la Red Vial Principal”, Caracas, 1993. Ministerio de Transporte y Comunicaciones, Dirección General Sectorial de Vialidad Terrestre, Dirección de Conservación Vial.

_____________________________________________________________________ 2-35


La variable tránsito en el Método de Diseño AASHTO-2002 El nuevo método de diseño de pavimentos, que la AASHTO ha venido ofreciendo desde el año 2000, no manejará la información de tránsito bajo el procedimiento de los “ejes equivalentes”, sino —a partir de la misma data empleada en estos ejes equivalentes— introducirá en los módulos del programa de diseño la carga expresada en toneladas por tipo de eje, ya sea a nivel de cada tipo de vehículo de carga, o agrupándolos por tipo de eje: simple, doble y triple. En Venezuela, al igual que en otros países de nuestra América, se ha comenzado a manejar la data de pesaje para producir estos “espectros de carga”. A continuación se presentan las Figuras 1 a 4, las cuales muestran la frecuencia de ocurrencia de las cargas para los ejes simples de dos ruedas, ejes simples de cuatro ruedas, ejes tandem dobles (8 ruedas) y tandem triples (12 ruedas), los cuales han sido obtenidos del procesamiento del pesaje de un total de cerca de 85.000 vehículos de carga. En estas figuras resalta el hecho de la “sobrecarga”, un problema de gran magnitud no resuelto en Venezuela, como lo demuestran las siguientes cifras de ejes sobrecargados: 27.1%; 20.3%, 38.6% y 49.6% para los ejes simples de dos ruedas, de cuatro ruedas, ejes tandem dobles y tandem triples respectivamente.

Espectro de cargas en eje simple de 4 ruedas

Espectro de carga en ejes sim ples de 2 ruedas 90

60

80

50 % de frecuencia

% de frecuencia

70 60 50 40 30

40 30 20

20

10 10 0

0 0

5

10

15

20

25

30

35

0

5

10

15

Carga en eje simple (ton)

20

25

30

35

40

Carga en eje simple (ton)

Espectro de carga en eje triple (12 ruedas)

Espectro de cargas en eje doble (8 ruedas)

25

18 16 14 % de frecuencia

% de frecuencia

20

15

10

12 10 8 6 4

5

2 0

0 0

5

10

15

20

25

30

35

Carga en eje doble (ton)

40

45

50

55

60

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Carga en eje triple (ton)

_____________________________________________________________________ 2-36

60

65

70


Capítulo 3 El material de sub-rasante Ensayo de CBR y ecuaciones de correlación para Módulo Resiliente


El material de fundación y el ensayo CBR ___________________________________________________________________________

Sub-rasantes La sub-rasante, tal como es definida en pavimentos, comprende los últimos centímetros del relleno o del corte del movimiento de tierras, que sirven de soporte a la estructura del pavimento. Tiene, en consecuencia volumen, a diferencia de la misma palabra en el diseño geométrico, donde solo interesa como superficie, e interesan, por lo tanto, sus propiedades mecánicas. La sub-rasante tiene dos funciones principales: a. proporcionar un valor soporte mínimo a la estructura del pavimento, en forma tal que limite las deflexiones a valores tolerables. Es importante destacar que del total de la deflexión de un pavimento, entre un 70% y un 90% de ella es causada por la sub-rasante. b. proporcionar un soporte continuo, sin asentamientos significativos ni diferenciales, evitando además que se produzcan flujos plásticos o desplazamientos laterales. En función de la magnitud de la carga es necesario prestarle especial cuidado a la compactación y humedecimiento de las últimas capas de la sub-rasante, con el fin de lograr en este espesor el desarrollo de las propiedades requeridas. Así interesan para: 1. tránsito bajo: los últimos 15 a 30 cm 2. tránsito medio: los últimos 30 a 45 cm 3. tránsito alto: los últimos 45 a 60 cm. Las cualidades deseables en la sub-rasante son: 1. alta resistencia 2. permanencia de la resistencia 3. uniformidad, reduciendo al mínimo los cambios bruscos 4. alta densidad, que generalmente incrementa su resistencia 5. poca susceptibilidad al agua 6. poca variación volumétrica 7. facilidad de compactación 8. permanencia de la compactación Debido a la variabilidad de los materiales para sub-rasante, es necesario realizar un estudio profundo de los suelos encontrados en las unidades de diseño, ya que de él se determinará el diseño del pavimento. Los suelos son materiales muy variables; la interrelación de textura, densidad, humedad y resistencia es muy compleja y, en particular, el comportamiento ante la repetición de cargas es muy difícil de evaluar. Debido a la complejidad del problema no es posible establecer reglas que satisfagan todas las posibilidades. Es posible, sin embargo, formular técnicas y procedimientos que proporcionen resultados adecuados, si los principios relacionados con el diseño de la sub-rasante son entendidos por el Ingeniero de pavimentos.

___________________________________________________________________ 3-1


El método más frecuente para caracterizar la "resistencia" de un material de subrasante es el ensayo de Valor Soporte California (CBR), aún cuando hoy en día ya se está introduciendo el "Módulo Resiliente", ya que los nuevos métodos de diseño de pavimentos están incorporando este valor más científico. Ensayo de Valor Soporte California (CBR) Fue propuesto en 1929 por los Ingenieros T. E. Stanton y O. J. Porter, del Departamento de Carreteras del Estado de California. Desde esa fecha, tanto en Europa como en América, el método CBR (por sus siglas en inglés: California Bearing Ratio, Relación de Soporte California) se ha generalizado y es, hoy en día, uno de los más empleados para la caracterización de la "resistencia" de los suelos, sub-bases y bases granulares, valor que posteriormente serán empleados en el cálculo de espesores de pavimentos flexibles. Este método, que ha sido adoptado por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos, así como por otros organismos técnicos y viales, ha experimentado varias modificaciones, pero en la actualidad se sigue, en líneas generales, el procedimiento sugerido por el U.S. Waterways Experiment Station, Vicksburg, Mississipi, y que es la versión que más adelante se describe. Se establece en él una relación entre la resistencia a la penetración de un suelo, y su capacidad de soporte como base de sustentación para pavimentos flexibles. Si bien este método es empírico, se basa en un sinnúmero de trabajos de investigación llevados a cabo tanto en los laboratorios de ensayo de materiales, como en el terreno, lo que permite considerarlo como uno de los mejores procedimientos prácticos sugeridos hasta hoy. El CBR es una medida comparativa de la resistencia al corte de un suelo, material granular o estabilizado, y se define como la relación porcentual entre la carga unitaria requerida para penetrar un pistón normalizado, una profundidad determinada dentro de una muestra del material bajo ensayo, y la carga unitaria requerida para penetrar el mismo pistón, y a la misma profundidad, en una mezcla patrón de piedra picada; es decir:

CBRi = 100

C arga unitaria del material bajo ensayo C arg a unitaria de la piedra picada

(Ec.-1)

(ambas cargas a la misma profundidad) Donde: CBRi = CBR del material bajo ensayo a la profundida d de penetració n " i"

El CBR de un material es función de su densidad, textura, humedad de compactación, humedad después de la saturación, su "grado de alteración", y su granulometría.

___________________________________________________________________ 3-2


La "Determinación del CBR de suelos perturbados y remoldeados" es el más común, y debido a que la muestra de laboratorio debe representar lo mas fielmente posible los resultados de la compactación de campo, debe realizarse un estricto control en laboratorio sobre la densidad (energía de compactación) y la humedad de la muestra en el momento de la compactación. El valor de CBR normalmente se determina a dos profundidades de penetración del pistón normalizado de 3 pulgadas cuadradas de área (a 0,1 pulgada y a 0,2 pulgadas), seleccionando el mayor de los dos valores. Las cargas unitarias que resiste la piedra picada a estas profundidades son de 1.000 (70 kg/cm2) y 1.500 psi (105 kg/cm2), respectivamente. El procedimiento del ensayo CBR, ha sido normalizado por la ASTM D-1883 y por la AASHTO T-93, y en forma resumida, comprende las siguientes etapas: 1.

Ejecución del Ensayo de compactación (Proctor), para determinar el Peso Unitario máximo seco, también identificado con el término densidad máxima seca), y la humedad óptima de compactación (%wopt) de las muestras. Los resultados de un ensayo típico de compactación, se presentan en la Figura 1. Ensayo de Humedad – Densidad. AASHTO T-180 Prueba

1

2

3

4

5

Humedad (%w)

7,07

8,95

11,06

13,05

15,36

Peso unitario húmedo (t/m3)

2.002

2.146

2.250

2.195

2.149

Peso unitario seco (t/m3)

1.870

1.970

2.026

1.942

1.863

P.u. máximo seco = 2.027 T/ m 3

Humedad óptima = 10.8 %

2.10

Peso unitario seco (T/ m 3 )

2.05

2.00

1.95

1.90

1.85

5

10

15

Peso unitario seco (T/ m 3 )

% de humedad Figura 1. Resultados tabulados y en gráfico de un ensayo de compactación para un material de sub-base.

___________________________________________________________________ 3-3


El tipo de ensayo de compactación depende del tipo de material: a. Para material de fundación (sub-rasante), es decir suelos finos: Realizar el ensayo de Densidad-Humedad correspondiente al Proctor Estándar (AASHTO T-99) b. Para materiales de sub-base y/o base, es decir suelos gruesos: Realizar el ensayo de Densidad-Humedad correspondiente al Proctor Modificado (AASHTO T-180) 2. Compactación de tres (3) briquetas (muestras), cada una a la humedad óptima determinada en el paso anterior, en un molde de dimensiones estándar de 15 cm de ancho y aproximadamente 11,5 cm de altura. Se emplea un martillo de 10 libras de peso y de 18 pulgadas de caída para compactar cada muestra en cinco (5) capas. Una briqueta se compacta con 56 golpes por capa, la otra con 25 golpes por capa, y la última con 12 golpes por capa. A cada una de estas muestras se le determina su peso unitario seco. 3. Las tres muestras se someten a un proceso de inmersión total durante cuatro (4) días, al final de los cuales se determina nuevamente su humedad (Figura 2). Previamente se ha determinado la variación en altura de las muestras. El incremento de altura multiplicado por cien y dividido entre la altura inicial, se define como el “hinchamiento”. Durante el periodo de inmersión se coloca sobre cada muestra una sobre-carga de 10 libras de peso. Los resultados se presentan de la forma siguiente: Golpes por muestra

Peso unitario seco t/m3

Humedad inicial (%wi)

Humedad final (%wf)

Absorción (%)

Hinchamiento (%)

56

1.988

10,79

11,45

0,66

0,16

25

1.830

10,91

13,86

2,95

0,16

12

1.755

10,34

15,91

5,57

0,16

4. Cada muestra es colocada bajo una prensa de carga (Figura 3), y se mide la carga necesaria para ir penetrando el pistón normalizado, a una velocidad de 1,27 mm por minuto, a las profundidades de 0,025; 0,050; 0,075; 0,100; 0,200; 0,300; 0,400 y 0,500 pulgadas. 5. Las cargas registradas en el paso anterior se dividen entre 3,0 (área del pistón normalizado en pulgadas cuadradas), para obtener el “esfuerzo unitario” para cada profundidad de penetración. Durante esta etapa del ensayo se mantienen sobre cada muestra, como mínimo las sobrecargas de 10 libras. Los resultados se presentan de la siguiente forma:

___________________________________________________________________ 3-4


Esfuerzo de penetración en psi, para profundidades de (pulgadas) Golpes por muestra

0,025

0,050

0,075

0,100

0,150

0,200

0,300

0,400

0,500

56

107

205

280

335

424

502

634

748

845

25

72

100

115

123

137

150

174

199

222

12

22

45

49

52

57

61

70

79

87

6. Para cada muestra se dibujan los resultados de “esfuerzos unitarios” contra “profundidad de penetración”, para definir los valores de esfuerzo unitario a las profundidades de penetración de 0,100 y 0,200 pulgadas. En algunos casos puede ser necesario corregir las lecturas en función de posibles deformaciones al momento del inicio de la penetración.

Figura 2. Ensayo CBR en su etapa de inmersión y medición de la expansión, y en su etapa de penetración. Fuente: Daniel Salcedo R.: Guía Geotécnica y Ambiental, República Dominicana, 2001.

___________________________________________________________________ 3-5


7. Hasta esta etapa se dispone, en resumen, de tres valores de CBR para 0,100 pulgadas y otros tres valores de CBR para 0,200 pulgadas de penetración, es decir dos resultados por cada muestra de diferentes energías de compactación (56, 25 y 12 golpes), así como de las tres densidades secas, una para cada muestra. 8. Se procede a dibujar, para cada profundidad de penetración, los resultados de densidad seca contra valor de CBR. En este gráfico se traza la línea correspondiente al 95% del Peso unitario máximo seco. De la intersección de esta línea con la curva de densidad —vs—CBR, se traza una vertical hasta cortar el eje de valores de CBR. Se obtienen así dos valores de CBR: uno para la profundidad de 0,100 pulgadas, y otro para la profundidad de 0,200 pulgadas (Véase Figura 3). 9. El CBR final de la muestra será el mayor de los dos valores anteriores. Si ambos valores son cercanos, también puede tomarse el promedio de ambos.

1000

2.00

Peso unitario seco (T/m 3)

2

Esfuerzo en (Lb/pulg )

875

750

525

500

375

250

1.95 95% γ dmax. γd= 1.926 T/m3

1.90

1.85

1.80 CBR = 23%

125 1.75 -1

-2

-3

-4

Penetración del pistón en pulgadas

8

10

12

14

16

Contenido de humedad ( %)

10

20

30

40

% CBR Corregido

Figura 3. Gráfico de penetración y de Peso Unitario – vs - Resistencia CBR, de un material de sub-base.

Ha de tenerse presente que cada muestra se debe utilizar una sola vez, es decir, que no podrá usarse el material que haya sido previamente compactado. La sobrecarga sobre la muestra cumple dos propósitos: a. La sobrecarga que se aplique mediante pesas de plomo, debe ser prácticamente igual a la correspondiente a las de las capas de pavimento a construirse sobre el material que se ensaya al CBR. La sobrecarga mínima a emplearse será de 4,54 kg (10 lbs), equivalente a la de un pavimento de

___________________________________________________________________ 3-6


concreto-cemento de aproximadamente 12,5 cm de espesor. Esta es la función primordial de las sobrecargas. b. Evitar, o al menos reducir, la deformación de la superficie de la muestra cuando se somete a la penetración del vástago. Esta norma del ensayo había prácticamente pasado desapercibida para los ingenieros de vialidad durante muchísimos años, y los ensayos CBR se habían venido ejecutando, sin importar el tipo de material y/o el espesor esperado, con sólo dos (2) pesas colocadas sobre el material, para representar el efecto del peso del pavimento sobre la muestra. La Tabla 1 que se presenta a continuación, por ejemplo, ha sido preparada en función de los resultados ejecutados sobre más de 1.600 muestras con sobrecargas de 10 lbs, y su utilidad radica en que permite estimar el valor del % de CBR para el caso en que no puedan realizarse los ensayos. Tipo de suelo A-1-a A-1-b A-2-4 A-2-6 A-4 A-6

A-7-5 A-7-6

Índice de Grupo 0 0 0 0—4 0—2 2—5 >5 <3 3—7 7—11 > 11 < 20 < 10 > 10

CBR de diseño para una condición de carga de < 106 < 107 < 108 < 105 Percentil 75 Percentil 85 Percentil 90 Percentil 95 35 30 30 20 27 24 21 17 22 18 13 8 14 12 8 6 14 12 8 7 9 8 6 3 4 2.5 2 2 8 7 5 4 5 4 3 2.5 3 2.5 2 1.5 2 1.5 1.5 1 4 2 1.5 1 3 2.5 2 2 2 1.5 1 0.5

Tabla I: Valores de CBR típicos de suelos venezolanos, determinados para diferentes valores percentiles. (CBR saturados, con 4,5 kg de sobrecarga) Fuente: Salamé Luis, et al: Método Venezolano de Diseño de Pavimentos, 1982

• Importancia de las sobrecargas En el año 1986, el Ing. Andrés Pinaud R. dirige dos Trabajos Especiales de Grado, uno en la Universidad Católica Andrés Bello y otro en la Universidad Metropolitana, con unos resultados que demostraron y recordaron a todos los ingenieros de vialidad, la importancia de ejecutar los ensayos de CBR de acuerdo a los procedimientos establecidos, con el fin de que los resultados de ellos obtenidos sean de aplicación adecuada. El siguiente ejemplo permitirá aclarar el procedimiento idealizado para determinar el número de sobre pesas correcto. Tipo de suelo: A-4, IG = 8 Cargas de diseño = 6,4 * 10 E +6 ___________________________________________________________________ 3-7


(a) Ejecución de ensayos de CBR Se realizaron los ensayos de CBR de tres (puntos) en condición de saturado, sobre muestras del mismo material, variando el número de sobrecargas, y se obtuvieron los valores de CBR que se indican en la última columna de la tabla. Número del ensayo 1 2 3 4 5 6

Número de sobrecargas (n) 2 4 6 8 10 12

Esfuerzo unitario (kg/cm2) sobre la muestra 0.026 0.052 0.078 0.104 0.130 0.156

Valor de CBR (%) 2.8 3.2 4.4 5.0 6.1 6.5

Esfuerzo unitario (EU = ·carga/área = # sobrecargas * peso sobrecarga Diámetro de la muestra = 15 cm Peso cada sobre carga = 5 lbs. = 2,27 kg

(b) Se realizó del diseño de pavimentos por el Método de la AASHTO-93 y se obtuvieron lo siguientes espesores, variando el CBR para cada caso y con un valor constante de las cargas de 6.4 * 106 en cada diseño. Número del ensayo 1 2 3 4 5 6

Valor de CBR (%) 2.8 3.2 4.4 5.0 6.1 6.5

Espesor de cada capa (cm) Rodamiento Base Sub-base 10 20 30 10 20 25 10 20 20 10 15 20 7.5 15 15 5.0 15 15

(c) Con la información de los espesores de cada capa, y asumiendo que se han ejecutado ensayos de densidad para el material de cada capa, se construye la siguiente tabla. Las densidades de cada capa son: • capa de rodamiento = 2.4 ton/m3 • capa base = 2.2 ton/m3 • capa sub-base = 2.0 ton/m3 Número del ensayo

Valor de CBR (%)

1 2 3 4 5 6

2.8 3.2 4.4 5 6.1 6.5

Esfuerzo unitario (EU) sobre el pavimento (kg/cm2) 0.024 0.024 0.024 0.024 0.018 0.012

0.044 0.044 0.044 0.033 0.033 0.033

0.060 0.050 0.040 0.040 0.030 0.030

EU total 0.128 0.118 0.108 0.097 0.081 0.075

___________________________________________________________________ 3-8


Esfuerzo unitario (kg/cm2)

0.180 0.160

Esfuerzo unitario sobre pavimento

0.140 0.120 0.100 0.080 0.060 0.040 Esfuerzo unitario sobre muestra en laboratorio

0.020 0.000 0

2 4.4 % CBR

4

6

8

Número de sobre-cargas

10

12

14

5.0 % CBR

Gráfico 1: Variación de los esfuerzos en laboratorio y pavimento en función del número de pesas colocadas sobre la muestra en el ensayo CBR

(d) con los valores de esfuerzos unitarios en laboratorio y sobre el pavimento, se construye el Gráfico 1, del cual se deduce que el número correcto de sobrepesas debe corresponder al entero menor mas cercano al punto de intersección de las dos curvas (rectas) de esfuerzo unitario, en este caso siete (7), por lo cual, el valor de CBR puede ser interpolado linealmente entre 4.4% (para 6 pesas) y 5.0% (para 8 pesas), en este ejemplo resultaría, por lo tanto en un CBR de 4.7%. Normalmente no es ni económico ni práctico, el realizar el conjunto de ensayos que se lograron durante estos Trabajos de Grado, y cuyo procedimiento es tedioso y costoso, ya que cada ensayo de CBR tiene un valor cercano a los 125 US$, por lo cual se recurre a resultados aproximados, tal como el que se muestra en la la Tabla "2" —y la cual es el producto de muchos ensayos detallados similares al descrito anteriormente— que permite determinar el número de pesas a colocar sobre la muestra en ensayo, en función de la clasificación del material.

___________________________________________________________________ 3-9


Es conveniente destacar, sin embargo, que los suelos granulares, por no ser afectados en forma importante por el hinchamiento durante el período de inmersión, el peso de las sobrecargas no afectan en forma notable el resultado de esta parte del ensayo, por lo cual los ensayos siempre se hacen con dos sobrecargas. Los suelos arcillosos, por el contrario, presentarán, tal como ha sido demostrado, diferentes valores de CBR en función del número de pesas que se coloquen sobre la muestra, y cuyo número debe ser estimado en función de lo indicado en la Tabla 2. Las pesas, no obstante, juegan un papel predominante en los suelos granulares, y no en los arcillosos, durante la etapa de la penetración de la muestra.

Clasificación HRB del material

A-1-a ó A1-b A-2-4 (granular) A-2-7 (granular)

Tabla 2 Carga tentativa a utilizar en ensayos de CBR, en base a la clasificación HRB de los materiales Rango estimado Carga total durante Valor estimado de espesores del el ensayo del CBR del pavimento (cm) kg lbs

Número de pesas a colocar sobre la muestra

> 15

? 20

4.54

10

2

< 15

20 - 25

4,54 / 6,81

10 / 15

2ó3

< 10

25 - 35

6,81 / 9,09

15 / 20

3ó4

<8

30 - 40

9,09 /11,35

20 / 25

4ó5

A-6 (8) y A-6 (9)

<5

40 - 50

11,35 / 13,62

25 / 30

5ó6

A-6 (10) a A-6 (12) A-7-6 (7) a A-7-6 (10)

<3

50 - 60

13,62 /18,16

30 / 40

6ó8

< 2,5

60 - 75

18,16 /22,70

40 / 50

8 ó 10

A-2-4 (fino) A-2-6 (fino) A-2-7 (fino) A-3 A-4 (0) a A-4 (3) A-6 (0) a A-6 (2) A-4 (4) y A-4 (5) A-6 (3) a A-6 (5) A-7-6 (1) a A-7-6 (4) A-4 (6) a A-4 (8) A-6 (6) y A-6 (7) A-7-6 (5) y A-7-6 (6)

A-6 (13) a A-6 (16) A-7-6 (11) a A-7-6 (20) Observaciones:

1. Si la carga a emplear no viene indicada en la solicitud del ensayo, deberá emplearsela carga menor del rango correspondiente al tipo de material 2. En carreteras de tráfico muy pesado, deberá emplearsela carga mayor del rango correspondiente al tipo de material 3. En caso de espesores muy gruesos, o totales de asfalto, deberá emplearse la carga menor del rango correspondiente al tipo de material

___________________________________________________________________ 3-10


• La necesidad de saturación Sobre la necesidad de saturar, o no, la muestra, deben aplicarse los principios en base a los cuales fue desarrollado cada método de diseño en particular. (a) Principio de diseño del Método del MTC “En regiones áridas y semi-áridas de precipitación menor de 600 mm anuales, la evaporación será superior a la precipitación y normalmente el nivel freático está profundo, por ello difícilmente ocurrirá la saturación del pavimento. Por el contrario, en regiones de alta precipitación hay que prever la saturación de la sub-rasante y de las capas inferiores del pavimento. Los ensayos de laboratorio deben tratar de simular las condiciones de la obra, por ello se recomienda que: ° Los ensayos de capacidad soporte en zonas con precipitación superior a 600 mm. Anuales y donde se estima la posible saturación de la sub-rasante, sean realizadas en condición saturada. ° En las regiones con precipitaciones inferiores de 600mm. Anuales y/o donde el proyectista considere que los suelos no se saturarán, los ensayos de capacidad soporte se realizarán a la humedad de equilibrio. La humedad de equilibrio se puede determinar, haciendo ensayos de succión o midiendo la humedad de la sub-rasante en pavimentos similares de vías cercanas que tengan al menos dos años de construidas. También se puede estimar en base a la humedad óptima del ensayo de compactación estándar (MOP E- 123)o del límite plástico, ya que la humedad de equilibrio normalmente está correlacionada con estos valores. Generalmente se supone igual al límite plástico. (b) Principio de diseño del Método AASHTO-72 El ensayo de CBR siempre debe ser ejecutado en condición de saturado, independientemente de la condición de intensidad de lluvias. (c) Principio de diseño del Método AASHTO-93 El ensayo de CBR debe ser ejecutado a tres condiciones de humedad: saturado, húmedo (a la humedad optima de compactación) y seco (a la humedad de equilibrio. Al final de este Capítulo se incluyen los resultads del ensayo de CBR para una misma muestra: un ensayo en condición de “saturado” y la otra en condición de “húmedo”. (ver ejemplos de ensayos en páginas 3- 28 y 3-29)

___________________________________________________________________ 3-11


(d) Principio de diseño del Método del Instituto del Asfalto El ensayo de CBR siempre debe ser ejecutado en condición de saturado, independientemente de la condición de intensidad de lluvias.

Ecuaciones de correlación cuando no pueden ejecutarse los ensayos de CBR de laboratorio en cada una de las condiciones deseadas de humedad En algunas oportunidades no pueden ejecutarse los ensayos de CBR en cada una de las condiciones de humedad deseadas. En estos casos se recurre a ecuaciones de correlación como las siguientes: Módulo Resiliente saturado = 20 a 30% del Módulo Resiliente del material en estado seco. Módulo Resiliente seco = 1.6 * Módulo Resiliente húmedo. La práctica de laboratorio que se viene recomendando en Venezuela consiste en penetrar las muestras de CBR después de compactadas a la humedad óptima, antes de ser sumergida. Este resultado se corresponde con la condición de suelo “húmedo”. Luego se sumergen las muestras durante los cuatro días y se penetran —en condición de humedad de saturación— por la cara de la muestra opuesta a la que fue penetrada en condición húmeda. Selección del CBR en una "Unidad de Diseño" (Criterio del percentil de diseño) Para determinación del "CBR de diseño", según los Métodos del MTC, del Instituto del Asfalto y AASHTO-72, es recomendable hacer un mínimo de cinco (5) ensayos por Unidad de Diseño, ya que un menor número puede llevar a errores de estimación que se reflejarán en la durabilidad y costo del pavimento. El CBR de diseño para materiales de sub-rasante, o de sub-rasante mejorada (llamados también "material seleccionado") se determinará en base a los ensayos realizados y al número de cargas equivalentes totales, REE, que se espera ocurran durante el período de análisis, según se indica en la Tabla 3. Una vez seleccionado el "Valor del percentil de diseño" de la Tabla 3, se ordenan los resultados de los CBR de las muestras de la Unidad de Diseño en forma de menor a mayor, tal como se demuestra en la Planilla I que se presenta a continuación. La relación del "número de ensayos con valor de CBR igual o mayor", expresada en forma porcentual al total de ensayos del tramo, se grafica tal como se indica en la Planilla I. De este gráfico, y en función del valor percentil de diseño, se selecciona el correspondiente "CBR de diseño".

___________________________________________________________________ 3-12


Tabla 3 Criterio de determinación del "Percentil de diseño para el CBR" ________________________________________________ Cargas equivalentes Percentil de diseño para totales (REE) sub-rasante sub-rasante mejorada _________________________________________________ < 10 E+5 75 85 > 10 E+5 ≤ 10 E+6 80 90 > 10 E+6 ≤ 10 E+7 85 90 > 10 E+7 ≤ 10 E+8 90 95 > 10 E+8 95 95 _________________________________________________ Los CBR de diseño para los materiales de bases y sub-bases, de acuerdo a lo establecido en estos métodos, serán seleccionados como el menor de los resultados del conjunto de ensayos que hayan sido ejecutados para cada tipo de material. Ejemplo de aplicación del procedimiento del “percentil de diseño” (a) Resultados de los CBRsaturados a lo largo de la Unidad de Diseño para un material de sub-rasante en una vía con tránsito de 5,5 millones de repeticiones. Ensayo # 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Progresiva 1+180 2+320 3+500 5+800 7+200 8+050 9+325 10+100 11+050 12+000

CBR (%) 3.8 7.3 5.5 6.0 3.8 3.8 2.8 7.0 6.6 6.0

(b) ordenamiento de los resultados de menor a mayor, y cálculo del porcentaje de muestras con CBR igual o mayor al valor considerado:

___________________________________________________________________ 3-13


Ensayo #

Progresiva

7 1 5 6 3 4 10 9 8 2

9+325 1+180 7+200 8+050 3+500 5+800 12+000 11+050 10+100 2+320

% de # de muestras muestras con CBR (%) con CBR igual o CBR igual o mayor mayor 2.8 10 100% 3.8 3.8 9 90% 3.8 5.5 6 60% 6.0 5 50% 6.0 6.6 3 30% 7.0 2 20% 7.3 1 10%

(c) Preparación del gráfico de valor de CBR —vs— % de muestras con CBR igual o mayor al considerado. La figura presentada en la siguiente página permite deducir que, para un 85% de percentil de diseño —según lo indicado en la Tabla 3 para un material de subrasante con 5.5 millones de repeticiones, el % de CBR de diseño es de un 3.9%.

100% 90% Percentil de diseño

80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

% de CBR

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Selección del CBR en una "Unidad de Diseño" (Criterio del AASHTO-93) Este método establece, para el material de sub-rasante, un procedimiento específico a partir de las condiciones de humedad a lo largo de un año, y de los CBR promedio en condiciones de saturado, húmedo y seco, con lo cual se calcula el “daño relativo”. Este procedimiento será comentado en el Volumen 3 de estos Apuntes, cuando se discuta el procedimiento de diseño AASHTO-93. Para los materiales de bases y sub-bases se selecciona directamente el CBR promedio de los diferentes resultados de los ensayos para un material determinado, como valor de diseño. Módulo resiliente (MR) Los métodos de diseño más actualizados, tal como el AASHTO (93), exigen el empleo del valor de los "Módulos de Elasticidad (E)", por ser el resultado de ensayos fundamentales -científicos-, en sustitución del ensayo CBR, para caracterizar los materiales de sub-rasante, ya que este último ensayo se basa en un método de laboratorio totalmente empírico. • Módulo de Elasticidad en los materiales de subrasante y/o sub-rasante mejorada ("Módulo Resiliente Mr") El módulo resiliente (MR) está definido como la magnitud del esfuerzo desviador repetido en compresión triaxial dividido entre la deformación axial recuperable, siendo éste equivalente al módulo deYoung (módulo de elasticidad) y se representa como sigue:

donde:

MR = (σ1 – σ3) / εaxial = σd / εaxial

MR = Módulo de resiliencia σ1 = Esfuerzo principal mayor σ3 = Esfuerzo principal menor σd = Esfuerzo desviador εaxial = Deformación recuperable Durante pruebas de carga repetida se observa que después de un cierto número de ciclos de carga, el módulo llega aproximadamente a ser constante y la respuesta del suelo puede asumirse como elástica. Al módulo que permanece constante se le llama módulo de resiliencia. Este concepto aplica tanto para suelos finos como para materiales granulares. Así entonces, el concepto de módulo de resiliencia está ligado invariablemente a un proceso de carga repetida. El parámetro Módulo de Resiliencia, a través de las investigaciones, se ha constituido como un elemento fundamental en el diseño de pavimentos y ha despertado gran interés en el desarrollo de procedimientos de diseño con bases mecanicistas; los cuales lo introducen como un elemento que caracteriza de manera racional el ___________________________________________________________________ 3-15


comportamiento esfuerzo-deformación de los materiales que conforman la estructura. Otra gran ventaja es que, con el avance en la computación, se ha podido someter al análisis teorías que pueden aplicarse en forma práctica a las condiciones de diseño. Procedimiento resumido del ensayo de triaxial dinámico. 1. La Briqueta de ensayo tiene forma cilíndrica, normalmente 100 mm de diámetro por 200 mm de altura (Figura 1.a). 2. La muestra se compacta en el laboratorio hasta alcanzar el peso unitario y el grado de humedad que se espera tenga en el campo. 3. La muestra se encapsula verticalmente por medio de una membrana de caucho, de poco espesor, y en ambas caras —superior e inferior— se colocan discos metálicos (Figura 1.b). 4. La briqueta se coloca dentro de la cámara de presión y se aplica la presión de confinamiento (σ3) (Figura 1.c) 5. El esfuerzo desviador es igual al esfuerzo axial (σ1) aplicado por el equipo menos el esfuerzo de confinamiento (σ3). En otras palabras, el esfuerzo desviador es el esfuerzo repetido aplicado sobre la muestra (Figura 2.a). 6. Las deformaciones que sufre la briqueta se calculan mediante una celdas de deformación (LVD), designada como “L” (Figura 2.b). 7. La condición inicial de la muestra es sin carga (sin esfuerzos inducidos). Cuando se aplica el esfuerzo desviador la muestra se deforma, cambiando en altura, tal como se muestra en la Figura 2.c. El cambio en altura es directamente proporcional a la rigidez del material. El Ensayo de deformación permanente se ejecuta bajo las siguientes condiciones: con un esfuerzo desviador de 69 kPa y un esfuerzo de confinamiento de 13.8 kPa (20,000 ciclos de carga). Estos niveles de esfuerzo son el máximo esfuerzo desviador y el mínimo confinamiento propuesto por SHRP para prueba de módulo de resiliencia; además, se considera que estos niveles de esfuerzos son los que se presentan a nivel de sub-rasante. Las deformaciones verticales son medidas por 3 LVDT´s (Linear Variable Differential Transformers), elementos que se encargan de transmitir la magnitud de dichas deformaciones a la unidad de registro y control. Los LVDT´s se encuentran localizados en la parte externa de la cámara triaxial. Los diferentes intervalos en los que se mide la deformación simulan la velocidad de circulación de un vehículo sobre la estructura de un pavimento. La carga que se aplica a la muestra de suelo compactado es medida por una celda de carga. El sistema de carga es operado por un medio hidroneumático a través de una bomba con capacidad de hasta 3000 lb/plg2 de presión. La frecuencia de la carga es gobernada por un controlador de tiempo y es de 10 repeticiones por minuto con una duración de carga de 0.1 segundos.

___________________________________________________________________ 3-16


Detalle de muestra con medidores de deformación instalados

Celda de triaxial dinámico

Este ensayo tiene actualmente muy poca difusión en Venezuela, ya que aun no existe ningún laboratorio que lo pueda ejecutar, pero se han desarrollado ecuaciones de correlación entre el valor de MR y el de CBR.

___________________________________________________________________ 3-17


La Figura 4 muestra algunas de esas correlaciones, pero debe destacarse que tanto la "Ecuación WES" como la "Ecuación SHELL" son válidas hasta valores de CBR iguales o menores a 10,0. Para valores mayores a 10,0 se deberán emplear otras formas de correlación.

El valor del MR al aplicar cualquiera de estas correlaciones arroja directamente el resultado en unidades de lb/pulg2 -psi-.

Figura 4: Relación entre Módulo Resiliente (Mr) y CBR, para materiales de subrasante y/o subrasante mejorada, para diferentes curvas de correlación

Obsérvense los diferentes valores de MR para un mismo CBR, en función de la curva de correlación que hay sido escogida-

___________________________________________________________________ 3-18


En nuestro país las ecuaciones de correlación mas comúnmente empleadas para estimar el Módulo Resiliente (MR) a partir de los resultados de ensayos de CBR en suelos finos, es decir los que se utilizan en las capas de sub-rasante y sub-rasante mejorada son las siguientes: (a)Para CBR iguales o menores a 7.2%

MR = 1.500 * CBR

(psi)

(b) Para CBR mayores a 7.2% e iguales o menores a 20% 0.65

MR = 3.000 * CBR^

(psi)

(c) Para CBR mayores a 20%

MR = 4.326 * ln CBR +241

(psi)

En el caso de que no sea posible determinar el valor de MR por ninguno de los métodos anteriores, pueden seleccionarse los valores de Módulo Resiliente (MR), a partir de la Tabla 4, la cual se basa en condiciones climatológicas de algunas regiones de los Estados Unidos. TABLA 4 ________________________________________________________ Clima

Valores aproximados de Módulo Resiliente (MR) Calidad Relativa del Material de Fundación

Muy pobre Pobre Regular Buena Muy buena ______________________________________________________________ _ cálido-húmedo 2.800 3.700 5.000 6.800 9.500 Arido-seco 3.200 4.100 5.600 7.900 11.700 ______________________________________________________________ _Valor de MR en libras por pulgada cuadrada (psi) Nota: valores aplicables preferiblemente en vias rurales de bajo tráfico.

La Tabla 4 se refiere, tal como ha sido en indicado, a regiones de los Estados Unidos que tienen condiciones climáticas similares a los de Venezuela, específicamente el estado de Florida (cálido-húmedo) y los estados del medio oeste (Texas, Arizona, etc.) con su clima árido-seco. El Ing. Luis Salamé(+) desarrolló un trabajo titulado: "Métodos de Diseño de Pavimentos Flexibles para Vías de Bajo Volumen de Tránsito", en el cual presentó un conjunto de información que facilita la determinación de los valores del Módulo Resiliente del material de sub-rasante.

___________________________________________________________________ 3-19


En este sentido, la Figura 5 muestra un mapa de las regiones pluvio-climáticas de nuestro país.

Figura 5: Áreas pluvio-climáticas de Venezuela. Ing. Luis Salamé. “Método de Diseño de Pavimentos para Vàs de Bajo Volumen de Tránsito”, 1990.

Basándose en las características ambientales de estas regiones, el Ing. Salamé propuso la Tabla 5, la cual permite estimar el valor del MR de la sub-rasante.

Es necesario apuntar, sin embargo, que esta tabla es aplicable solo para el caso en que no sea posible la ejecución de ensayos de laboratorio.

___________________________________________________________________ 3-20


TABLA 5 ______________________________________________________________ _ Valores aproximados de Módulo Resiliente (MR) ______________________________________________________________ _ Región Calidad Relativa del Material de Fundación Climática Muy pobre Pobre Regular Buena Muy buena ______________________________________________________________ _ 1 (muy lluviosa) 2.875 3.700 5.000 7.000 11.000 2 (lluviosa)

3.250

4.100

5.500

8.000

14.000

3 (semi lluviosa)

3.625

4.500

6.000

9.000

17.000

4 (semi seca)

3.940

4.830

6.420

9.830

19.500

5 (pluvio-nublosa) 3.250 4.100 5.500 8.000 14.000 ______________________________________________________________ _Valor de MR en libras por pulgada cuadrada (psi) Nota: valores aplicables preferiblemente en vias rurales de bajo tráfico. Fuente: Ing. Luis Salamé R.: "Método de Diseño de Pavimentos Flexibles para Vías de Bajo Volumen de Tráfico", 1990.

Tipos de materiales a ser empleados como sub-rasante o sub-rasante mejorada: Los suelos encontrados en el movimiento de tierras son empleados directamente en la construcción de los terraplenes y conformarán, por lo tanto, la capa de subrasante, sin otro tratamiento que la estabilización mecánica mediante la compactación con la humedad óptima. Sub-rasantes con CBR entre un 3 y un 6% son muy comunes en las condiciones de trabajo de Venezuela. Los suelos orgánicos evidentemente no pueden ser empleados y la recomendación general de las Especificaciones de la AASHTO es que suelos con hinchamientos —de acuerdo al procedimiento del ensayo CBR— de un máximo de un 6% pueden ser utilizados como fundación del pavimento, ya que no presentarán problemas de expansividad. En el caso de que el hinchamiento sea mayor al 6% los suelos deben ser evitados, de ser esto posible inclusive hasta con cambios en el trazado geométrico, y si no deben ser tratados como “suelos expansivos”. Estos tratamientos escapan el alcance de estos Apuntes, pues no son un problema de pavimentos sino de geotecnia. Otra recomendación constructiva es la de reservar, en el caso de que esto sea práctico y económico, los materiales del movimiento de tierra con mejores CBR para emplearlos en los últimos centímetros del terraplén y, si su CBR es mayor al 10% y menor al 20%, se consideran como “sub-rasantes mejoradas”.

___________________________________________________________________ 3-21


Los costos de transporte del movimiento de tierras juegan un papel muy importante cuando se considera la potencialidad de un material para ser trabajado como subrasante mejorada. Establecimiento de las Unidades de Diseño a lo largo de una carretera Durante la discusión del tema del CBR, se han comentado los criterios de determinación de los valores de diseño en lo que se ha definido como un tramo con características de iguales materiales. En la práctica no es fácil definir los límites de las “unidades de diseño” debido a la normal variabilidad de los materiales a lo largo del desarrollo del trazado de una carretera. Uno de los pocos procedimientos para la definición de estos límites ha sido presentado en el Método AASHTO-93 1, —pero puede ser aplicado no solo para CBR sino para cualquier tipo de mediciones y/o método de diseño de pavimentos— y que permite definir tramos con características similares, denominadas “Secciones homogéneas” que se explica mediante el ejemplo que se presenta a continuación: Ejemplo: Durante el diseño de pavimentos, empleando el Método AASHTO-93, del nuevo tramo de la Autopista Antonio José de Sucre, entre las poblaciones de El Guapo y Cúpira, en el Estado Miranda, se han realizado sobre el eje del trazado, ensayos de CBRsaturado a cada 500 ml, en las progresivas indicadas en la Columna 1 2 de la Tabla 6, con los resultados que se presentan en la Columna 3 esta tabla, y cuyo promedio aritmético de todos los CBR resulta en 23.4% Proceso de establecimiento de las Secciones Homogéneas: (a) Se calculan las distancias parciales entre progresivas consecutivas (Columna 4). (b) Se calcula la distancia acumulada entre progresivas consecutivas, desde la primera hasta la última (Columna 5), y se registra la “Distancia total acumulada”, en este caso 31.500 ml. (c) Se calcula el valor de CBR medio entre progresivas consecutivas (Columna 6). (d) Se calcula —para cada progresiva— la Columna 7 (denominada Área), que es igual al resultado de multiplicar el valor de la Columna 4 por el valor de la Columna 6. (e) Se calcula la integral acumulada entre progresivas consecutivas, desde el primero hasta el último valor (Columna 7), y se registra el “Ärea total acumulada”, en este caso 732.250. (f) Se determina el “Factor de cálculo” al dividir el “Área total acumulada” entre la “distancia total acumulada”, en nuestra ejemplo FC = 732.250/31.500 = 23.246. (g) Se calcula cada una de las celdas de la Columna 9, denominada “Valor Zr”, de acuerdo a la siguiente ecuación: Zr = valor Columna 8 — Factor de cálculo * Valor Columna 5 1

AASHTO-93. Anexo JJ. La Columna 2 de esta tabla son las mismas progresivas que las de la Columna 1 pero expresadas en km, para facilitar posteriormente la graficación de los resultados. 2

___________________________________________________________________ 3-22


(h) Se prepara el Gráfico “Progresivas –vs-Valor Zr, tal como se muestra en la Figura 6. Cuando en la Figura 6 se observa sector de una misma pendiente se define una “Sección Homogénea o Unidad de Diseño”; por otra parte, un cambio en la pendiente define una nueva unidad de diseño. A cada conjunto de valores en una misma unidad de diseño se le calcula el promedio aritmético, y este será el valor de CBR de esa Unidad. En este ejemplo, de la Figura 6 pueden determinarse cambios de pendiente en las progresivas 4+000, 11+000, 12+500; 16+000 y 28+500, con lo cual se definen seis (6) tramos o Unidades de diseño, tal como se ilustra en la Tabla 7.

___________________________________________________________________ 3-23


Tabla 6 Determinación de las Secciones Homogéneas o Unidades de Diseño CALCULO DE SECCIONES HOMOGENEAS (1)

(2)

PROG. PROGRESIV MEDICION A (km) (m)

CALCULO DE SECCIONES HOMOGENEAS

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

CBR

DIST m

ACUM. m

CBR MEDIO

Áreas parciales (ai)

Áreas acumuladas

Zx

(1)

(2)

PROG. PROGRESIV MEDICION A (km) (m)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

CBR

DIST m

ACUM. m

CBR MEDIO

Áreas parciales (ai)

Áreas acumuladas

Zx

500

0.5

5

500

500

5

2,500.00

2,500

(9,123)

16,500

16.5

5

500

16,500

9

4,250.00

427,500

43,940

1,000

1.0

6

500

1,000

6

2,750.00

5,250

(17,996)

17,000

17.0

33

500

17,000

19

9,500.00

437,000

41,817

1,500

1.5

4

500

1,500

5

2,500.00

7,750

(27,119)

17,500

17.5

30

500

17,500

32

15,750.00

452,750

45,944

2,000

2.0

8

500

2,000

6

3,000.00

10,750

(35,742)

18,000

18.0

35

500

18,000

33

16,250.00

469,000

50,571

2,500

2.5

12

500

2,500

10

5,000.00

15,750

(42,365)

18,500

18.5

8

500

18,500

22

10,750.00

479,750

49,698

3,000

3.0

8

500

3,000

10

5,000.00

20,750

(48,988)

19,000

19.0

7

500

19,000

8

3,750.00

483,500

41,825

3,500

3.5

10

500

3,500

9

4,500.00

25,250

(56,111)

19,500

19.5

9

500

19,500

8

4,000.00

487,500

34,202

4,000

4.0

2

500

4,000

6

3,000.00

28,250

(64,734)

20,000

20.0

8

500

20,000

9

4,250.00

491,750

26,829

4,500

4.5

49

500

4,500

26

12,750.00

41,000

(63,607)

20,500

20.5

4

500

20,500

6

3,000.00

494,750

18,206

5,000

5.0

58

500

5,000

54

26,750.00

67,750

(48,480)

21,000

21.0

12

500

21,000

8

4,000.00

498,750

10,583

5,500

5.5

40

500

5,500

49

24,500.00

92,250

(35,603)

21,500

21.5

31

500

21,500

22

10,750.00

509,500

9,710

6,000

6.0

42

500

6,000

41

20,500.00

112,750

(26,726)

22,000

22.0

7

500

22,000

19

9,500.00

519,000

7,587

6,500

6.5

29

500

6,500

36

17,750.00

130,500

(20,599)

22,500

22.5

4

500

22,500

6

2,750.00

521,750

(1,286) (6,909)

7,000

7.0

40

500

7,000

35

17,250.00

147,750

(14,972)

23,000

23.0

20

500

23,000

12

6,000.00

527,750

7,500

7.5

33

500

7,500

37

18,250.00

166,000

(8,345)

23,500

23.5

24

500

23,500

22

11,000.00

538,750

(7,532)

8,000

8.0

11

500

8,000

22

11,000.00

177,000

(8,968)

24,000

24.0

11

500

24,000

18

8,750.00

547,500

(10,405)

8,500

8.5

38

500

8,500

25

12,250.00

189,250

(8,341)

24,500

24.5

11

500

24,500

11

5,500.00

553,000

(16,528)

9,000

9.0

27

500

9,000

33

16,250.00

205,500

(3,714)

25,000

25.0

37

500

25,000

24

12,000.00

565,000

(16,151)

9,500

9.5

21

500

9,500

24

12,000.00

217,500

(3,337)

25,500

25.5

5

500

25,500

21

10,500.00

575,500

(17,274)

10,000

10.0

27

500

10,000

24

12,000.00

229,500

(2,960)

26,000

26.0

19

500

26,000

12

6,000.00

581,500

(22,897)

10,500

10.5

40

500

10,500

34

16,750.00

246,250

2,167

26,500

26.5

17

500

26,500

18

9,000.00

590,500

(25,520)

11,000

11.0

27

500

11,000

34

16,750.00

263,000

7,294

27,000

27.0

30

500

27,000

24

11,750.00

602,250

(25,393)

11,500

11.5

8

500

11,500

18

8,750.00

271,750

4,421

27,500

27.5

20

500

27,500

25

12,500.00

614,750

(24,516)

12,000

12.0

10

500

12,000

9

4,500.00

276,250

(2,702)

28,000

28.0

8

500

28,000

14

7,000.00

621,750

(29,139)

12,500

12.5

8

500

12,500

9

4,500.00

280,750

(9,825)

28,500

28.5

12

500

28,500

10

5,000.00

626,750

(35,762)

13,000

13.0

45

500

13,000

27

13,250.00

294,000

(8,198)

29,000

29.0

71

500

29,000

42

20,750.00

647,500

(26,635)

13,500

13.5

45

500

13,500

45

22,500.00

316,500

2,679

29,500

29.5

8

500

29,500

40

19,750.00

667,250

(18,508)

14,000

14.0

54

500

14,000

50

24,750.00

341,250

15,806

30,000

30.0

14

500

30,000

11

5,500.00

672,750

(24,631)

14,500

14.5

64

500

14,500

59

29,500.00

370,750

33,683

30,500

30.5

54

500

30,500

34

17,000.00

689,750

(19,254)

15,000

15.0

43

500

15,000

54

26,750.00

397,500

48,810

31,000

31.0

48

500

31,000

51

25,500.00

715,250

(5,377)

15,500

15.5

24

500

15,500

34

16,750.00

414,250

53,937

31,500

31.5

20

500

31,500

34

17,000.00

732,250

-

16,000

16.0

12

500

16,000

18

9,000.00

423,250

51,313

Promedio total CBR

23.4

___________________________________________________________________ 3-24

El material de fundación y el ensayo CBR

60,000

40,000

20,000

31.5

30.5

29.5

28.5

27.5

26.5

25.5

24.5

23.5

22.5

21.5

20.5

19.5

18.5

17.5

16.5

15.5

14.5

13.5

12.5

11.5

9.5

10.5

8.5

7.5

6.5

5.5

4.5

3.5

2.5

1.5

0.5

Valor Zr

-

(20,000)

(40,000)

(60,000)

(80,000) Progresiva

Figura 6: gráfico para establecer las Unidades de Diseño o Secciones Homogéneas

Los promedios de los valores individuales de CBR en estas Unidades de Diseño serán, en consecuencia, los que se discriminan en la Tabla 7 : Tabla 7 Unidades de Diseño en la Autopista AJdeS, Tramo El Guapo-Cúpira Unidad Progresivas Valores de CBR en el tramo

CBR promedio y desviación

UD 1 0+000 a 4+000 5-6-4-812-8-10-2

6.9 3.27

UD 2 4+000 a+11+000 49-58-4042-29-4033-11-3827-21-2740-27

UD 3 11+000 a 12+500

UD 4 12+500 a 16+000

8-10-8

45-45-5464-43-2412

32.7 11.95

8.7 1.15

31.3 21.24

UD 5 16+000 a 28+500 5-33-3035-8-7-9-84-12-31-74-20-2411-11-375-19-1730-20-8-12 16.3 10.82

UD 6 28+500 a 31+500 71-8-1454-48-20

35.8 25.36

Esta “sectorización” se presenta gráficamente en la Figura 7. Es evidente que pudieran seleccionarse tramos mas cortos de igual pendiente, con lo cual se obtiene menor dispersión en los CBR de estos tramos, pero debe lograrse un balance entre precisión y número de Secciones Homogéneas que sean determinadas. La UD-3, por ejemplo, pudiera incluirse dentro de la UD-2. Normalmente se recomienda que una Unida de de Diseño no tenga menos de 2 km de longitud, por facilidades constructivas y de costo.

3 -25


80 70

Valores CBR (%)

60 50 40 30 20 10 0 -

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

Progresiva

Figura 7: Definición de secciones homogéneas

En este ejemplo se ha seleccionado para cada Unidad de Diseño el valor de CBR promedio, partiendo de la premisa es que el diseño de pavimentos será realizado por el Método AASHTO-93. Si el diseño se fuese a ejecutar por otro método, por ejemplo el del MTC, debería emplearse el procedimiento del “percentil de diseño”. Es conveniente señalar que este procedimiento es una herramienta de ayuda en el difícil proceso de definición de las “Unidades de Diseño” pero que nunca puede dejarse de lado el criterio del Ingeniero Proyectista.

3 -26


3 -27


3 -28


Uso de geosintéticos para el mejoramiento de sub-rasantes (Este tema ha sido tomado, con la autorización del Autor, de la publicación: “Guía Geotécnica y Ambiental”, preparada por el Ing. Daniel Salcedo R. para la República Dominicana en el año 2001). En los últimos años se ha incrementado el uso de geosintéticos en aquellos sitios donde el material de la sub-rasante del pavimento es de baja capacidad soporte. Cuando el material de baja resistencia de la sub-rasante es de poco espesor, puede ser retirado y reemplazado, pero en la medida que su espesor se hace significativo, la opción de remoción y sustitución se hace costosa y consume mucho tiempo. Es por esta razón que se debe evaluar como opción la utilización de geosintéticos como refuerzo. Las Figuras 6 y 7, muestran un ejemplo que permite visualizar las ventajas del uso de geosintéticos para evitar deformaciones, contaminación, aparición de fisuras, y para reducir el espesor de la capa de base granular que en algunos casos puede alcanzar hasta el 40%. El producto TRC-Grid es una marca registrada elaborada por Akzo Nobel Geosynthetics y distribuida por Maccaferri, formada por la unión de una geogrilla tejida biorientada, insertada entre otras dos capas de geotextil no tejido termoligado de filamentos continuos de poliéster, que combina funciones de refuerzo, separación y filtración (Véase Figura 8). La geogrilla desempeña la función de refuerzo y los geotextiles las funciones de filtración y separación, evitando la contaminación de la camada granular por los finos de la base. Este producto también ha sido utilizado en la base de terraplenes sobre suelos blandos. Las fotos de la Figura 9 muestra un ejemplo de un sector donde la base granular fue construida sobre una capa vegetal. Nótese como progresivamente se han ido incrustando los fragmentos de roca en la capa vegetal, con el consecuente asentamiento de la plataforma de la vía. En los casos de suelos in situ arcillosos también puede ocurrir el mismo efecto, el cual se puede evitar utilizando geosintéticos que cumplan la función de separador entre los dos tipos de suelos. Existen otros geosintéticos disponibles que también son utilizados como refuerzo, tales como los denominados sistema spectra de Tensar (mallas de refuerzo BX1200 y BX4200), o geomallas biorientadas Tenax LBO. La selección de la malla de refuerzo dependerá de las características del problema específico y de las propiedades de los diferentes productos disponibles en el mercado. Las Figuras 10 y 11, muestran ejemplos de mallas fabricadas por las empresas Tensar y Tenax, respectivamente. El procedimiento constructivo de colocación de geosintéticos como refuerzo se muestra tanto en los esquemas de la Figura 12, como en las Fotos de la Figura 13. Los métodos de diseño con geosintéticos no están dentro de los alcances de la presente Guía pero se pueden consultar en manuales y artículos técnicos publicados por diferentes empresas distribuidoras. Entre tales referencias se recomienda la lectura del Manual de Diseño de Pavco, Sistemas para Pavimentos de Tensar (1999), Tensar Technical Note TTN:BR5 (1994) y TTN:BR10 (1998), y Refuerzo para base de pavimentos de Maccaferri. En tales publicaciones se reportan ejemplos de diseños comparativos utilizando pavimentos no reforzados y reforzados, 3 -29


concluyéndose que se pueden lograr disminuciones importantes en los espesores de base granular o de los materiales debajo de dicha base que se requerirían sobre subrasantes de baja capacidad soporte.

SUB-RASANTE

(a)

SUB-RASANTE

(b)

Figura 6: (a) Disminución de deformaciones y aparición de fisuras. (b) Reducción del espesor de base granular. (Fuente: Maccaferri)

3 -30


SUB-RASANTE

(a)

SUB-RASANTE

(b) Figura 7. (a) Refuerzo para evitar deformaciones en el pavimento. (b) El refuerzo sirve de separador y evita la pérdida de capacidad de soporte. El producto TRC-Grid es una marca registrada. (Maccaferri).

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Figura 8. El TRC-Grid es un geocompuesto formado por una geogrilla biorientada de muy bajo estiramiento y alta resistencia, colocada entre dos geotextiles no tejidos termosoldados. (Maccaferri).

Figura 9. Base granular incrustándose en una capa vegetal que no fue removida completamente antes de la colocación y compactación de la misma.

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Figura 10. Geomallas Tensar tipos BX 1100 y BX 1200, utilizadas para la estabilización de sub-rasantes. (Tensar Earth Technologies, Inc).

Figura 11. Geomalla mono-orientada TENAX, diseñada para refuerzo de suelos, proporcionando gran resistencia a la tensión en sentido longitudinal, y geomalla biorientada de la serie TENAX LBO con elementos y nudos rígidos, utilizada para el refuerzo de suelos granulares y pavimentos rígidos y flexibles.

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(a)

(c)

(b)

(d)

Figura 12. Secuencia constructiva para instalación de geosintético como refuerzo sobre la subrasante. (a) Extendido del rollo de geosintético. (b) Colocación de la base granular. (c) Extendido del material granular. (d) Compactación.

3 -34


Figura 13. Etapas de colocación de un geosintético como refuerzo, y construcción posterior de la base granular.

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Capítulo 4 Sub-bases y bases de materiales granulares no tratados


Sub-bases y bases granulares

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Bases y sub-bases granulares En este Capítulo se describen las definiciones, características, propiedades y procedimientos constructivos referentes a los materiales y mezclas a ser empleados en las capas de bases y sub-bases de pavimentos flexibles. La terminología clásica utilizada en Ingeniería de pavimentos puede observarse en la Figura 1. El término pavimento se aplica a todo el espesor, construido sobre la subrasante, constituido generalmente por el material de sub-base, la base, y las capas asfálticas. Las dos capas superiores mostradas en la figura (rodamiento y base asfáltica), se refieren a una pavimentación con concreto asfáltico; alternativamente, el pavimento superior puede ser de concreto hidraúlico, o simplemente se coloca un tratamiento asfáltico superficial, cuyo uso ideal es en vías de bajo tránsito.

Capa de rodamiento Imprimación

Riego de adherencia

C L Base asfáltica

Sub-base Material de sub-rasante compactada

Base granular o estabilizada

Figura1. Terminología utilizada corrientemente en ingeniería de pavimentos.

Capas de Base: La capa base de un pavimento flexible se define como aquella capa de material que está colocada directamente por debajo de la capa de rodamiento. Debido a su ubicación —muy cercana a la superficie en donde se aplican las cargas de los vehículos— deben poseer una alta resistencia a la deformación, siendo capaces de soportar los esfuerzos aplicados sobre ellas. Normalmente se construyen con espesores relativamente altos (15-30 cm.), y con materiales de Módulos Elásticos altos, con lo cual se logra absorber parte de los esfuerzos y distribuirlos a las capas

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inferiores en una magnitud tal que puedan ser soportados por materiales de menor calidad, como son los que conforman las capas de sub-base o de sub-rasante. Una segunda función de la capa base está asociada con la facilidad de drenar las aguas provenientes de la superficie, o de evitar la ascensión capilar de aguas inferiores. Por último, persiguen un fin económico, ante la posibilidad de emplear materiales de menor costo que los utilizados en la capa de rodamiento Normalmente son construidas con mezclas de fragmentos de piedra o grava, y materiales finos de relleno, pudiendo también emplearse suelos locales estabilizados mediante la incorporación de cal hidratada o cemento Portland, en cantidades suficientes para incrementar en forma sustantiva su capacidad de resistencia. Sus propiedades fundamentales dependerán, por otra parte, del diseño final de la estructura de pavimento, en particular, si se contempla que la capa de base sea, o no, protegida mediante la colocación de un sello de tratamiento asfáltico superficial. Capas de Sub-base La capa de sub-base se define como aquella capa que se coloca directamente sobre la superficie de la sub-rasante. También puede ser definida, en una estructura de pavimento multicapa, como aquella capa que se coloca directamente por debajo de la capa de base. Aún cuando se emplean para absorber los esfuerzos generados por los vehículos, debido a que se encuentran algo alejadas de la superficie en donde se aplican las cargas, no se requieren materiales tan resistentes como los exigidos en las capas de base. Sus espesores son, en general, mayores a los de capa base, y están en el rango entre los 20 y 35. No se recomienda construir espesores de capas mayores a los 45 cm, aun cuando el dimensionamiento estructural así lo exiga; en este caso debe sustituirse el espesor por encima de los 45 cm por un espesor equivalente de otro material, tal como será comentado en el momento de diseñar la estructura de un pavimento. El Módulo Elástico de los materiales de sub-bases granulares son menores a los de la capa base. Otras funciones de las capas de sub-base son: economía de construcción, por ser de menor costo que los empleados en las capas de base, y facilitar el drenaje de las aguas, tanto las de percolación como las de ascensión capilar. Por otra parte, en caso de ser necesario reducir cambios volumétricos originados por suelos de carácter expansivo, se construyen también con grandes espesores, y sirven para impedir que las deformaciones de las capas de la sub-rasante sean reflejadas en la superficie del pavimento. Las capas de sub-base, por último, sirven como capa de transición, evitando que los finos de la sub-rasante contaminen los materiales de las capas de base, reduciendo su resistencia. Normalmente son construidas con materiales granulares sin procesar, con espesores relativamente mayores a los de la capa base (20-35 cm.), o en el caso de emplearse materiales locales de baja calidad, se estabilizan mediante la incorporación de cal hidratada o cemento Portland en cantidades reducidas para incrementar ligeramente su capacidad de resistencia. También los materiales locales finos pueden ser mejorados mediante el empleo de aceites sulfonados, que producen una

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estabilización de tipo electroquímica, pudiendo así alcanzar los niveles de calidad asociados con los exigidos para otros tipos de materiales empleados como capas de sub-base. Tipos de materiales para capas de sub-base Los materiales que van a ser empleados en las capas de sub-base son gravas y arenas obtenidas de los depósitos de ríos o minas y son empleados directamente como vienen del saque, sin ningún procesamiento adicional excepto el de la eliminación del “sobre-tamaño”, es decir el material que exceda el tamaño máximo establecido en las especificaciones, normalmente 2.5 pulgadas. En Venezuela se emplean “in extenso” los materiales de saques de mina, normalmente materiales que clasifican como A-2-4 según la AASHTO, con plasticidades bajas (LL < 25% e IP < 9%). El CBR de estos materiales normalmente se ubica entre un 20% y un 35% y se logra con ellos una sub-base de regular a mala. También se emplean con mucha frecuencia los materiales de los saques de las márgenes de los ríos, por su baja o nula plasticidad, estos materiales arrojan CBR entre un 35% y un 50%. Las sub-bases construidas con estos materiales son de buena calidad. La gran desventaja de estos materiales, por ser empleados sin procesamiento posterior, es el de su gran variabilidad: tan pronto un material de río tendrá un CBR de 40%, como podrá tenerlo de un 25%. Su ventaja radica en su bajo costo.

Figura 2-a. Proceso de descarga de las pilas de los camiones a distancias previamente determinadas, y formación del cordón o camellón con una motoniveladora. Fuente: Daniel Salcedo R:: “Guía Técnica y Ambiental, República Dominicana, 2000”

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La Norma COVENIN 11-2 (Granzón natural) establece los siguientes límites granulométricos para los materiales a ser empleados como sub-bases granulares: Subbase Tipo 1

2” 100

1” 100

% pasante el tamiz 3/8” #4 # 10 60-100 50-85 40-70

# 40 20-50

# 200 5-20

La Figura 1 muestra el proceso constructivo de estos materiales, el cual consiste en la descarga en pilones, o pilas del agregado, con un volumen igual al que puede recibir un camión volteo, y luego el acomodo de las pilas en un pilón continuo, o “camellón” que, posteriormente es distribuido a todo lo ancho de la calzada para lograr una camada con un espesor suelto que, al ser compactado, alcance el espesor de diseño. Lo mas importante es, por lo tanto, (a) garantizar en obra que se alcance el espesor de la capa una vez que el material haya sido compactado y (b) lograr la densidad de campo establecida en las especificaciones. El siguiente ejemplo permite describir el procedimiento para determinar el espaciamiento de camiones, en el caso de uso de un solo material. Ejemplo No 1. Determinación de espaciamiento de camiones con un material Determinar el espaciamiento de los camiones para lograr un espesor compactado de 25 cm, en una calzada de 7.81 m de ancho. Se dispone de camiones de 9 m3 y de 15 m3. Solución Es necesario conocer las densidades secas del material, en estado suelto, tal como se encuentra en el momento de su transporte sobre los camiones, y luego de ser compactado en obra. En este ejemplo, se conoce que la densidad seca del material, en estado suelto es de 1.600 kg/m3, y se ha realizado un ensayo de compactación Proctor, que arroja un valor de Peso Unitario seco máximo ( o densidad máxima seca) de 2.100 kg/m3 ,y una humedad óptima de 6,8%. En función de las densidades de construcción, se estima que la densidad seca después de compactada será del 95% de la densidad máxima seca, es decir igual a 2.100 x 0,95 = 1.995 kg/m3. Los cálculos serán realizados para 300 m3 de material compactado, que es la cantidad de material que se estima pueda ser extendido, humedecido y densificado en una jornada de trabajo. 1. Volumen requerido 1.1 Volumen de material compactado = ancho x largo x espesor Ancho medio = [7.81 + 2 x (½ x 0,25)] = 8,063 m Largo = 300 m

Espesor = 0,25 m

Volumen compactado = 8,063 x 300 x 0,25 = 604,69 m3 1.2 Volumen del material en estado suelto = volumen compactado (Densidad seca de campo (compactado) / densidad seca en estado suelto)

x

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Volumen del material suelto = 604,69 755,86 m3

x

1.995 / 1.600 = 604,69

x

1,25 =

Es decir, se requiere un 25% de material adicional por cada m3, para lograr un (1,0) m3 compactado. Esta relación entre la densidad seca de campo y la densidad seca suelta, se conoce como Factor de esponjamiento. 2. Espaciamiento de los camiones. Si se cumple el procedimiento correcto de espaciamiento de la descarga de los camiones, se logra colocar la cantidad requerida para el espesor deseado en el proyecto. Véase Figura 3. Ya que se dispone de camiones de 5 m3 y de 9 m3, cuya capacidad está relacionada con el estado en que se transporta el material, es decir en estado suelto, una alternativa de distanciamiento de un camión a otro sería la siguiente: •

Empleando solo camiones de 9 m3 Cantidad de camiones de 9 m3 en los 300 m de longitud = 755,86 / 9 = 83,98 camiones (se aproxima a 84 camiones)

•

Espaciamiento (distancia) entre camión y camión = 300 / 84 = 3,57 m Empleando solo camiones de 15 m3 Cantidad de camiones de 15 m3 en los 300 m de longitud = 755,86 / 15 = 50,39 camiones (se aproxima a 50 camiones) Espaciamiento (distancia) entre camión y camión = 300 / 50 = 6,00 m

•

Empleando el mismo número de camiones de 9 m3 y 15 m3 m3 a ser transportados por cada tipo de camión = 755,86/2 = 377,93 m3 - cantidad de camiones de 9 m3 = 377.93/9 = 41,99 o separación entre camión y camión = 300/42 = 7,14 m. Se aproxima a 7 m. - cantidad de camiones de 15 m3 = 377,93/15 = 21,20 o separación entre camión y camión = 300/21 = 14,3 m. Se aproxima a 14 m. (La Figura 2-a ilustra el procedimiento de descarga de los materiales en obra y la Figura 2-b el esquema de espaciamiento de pilas descargadas desde los camiones volteo)

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Otros requisitos de calidad para los materiales de sub-bases granulares Las Especificaciones incluyen otros requisitos para los materiales que sean propuestos para sub-bases granulares. La Norma COVENIN 11-5 (granzón mezclado), por ejemplo exige lo siguiente. • % partículas alargadas o planas: < 20% • % Desgaste L.A. < 50% • CBR > 20% (no establecido en la Norma pero práctica común entre los Ingenieros de Proyecto).

6m 6/2 m Inicio tramo 300 Figura VI-10. Esquema indicando el espaciamiento de camiones de 15 m3. 7m

7m

7m

14 m

Inicio tramo 300 m Figura 2-b. Esquema indicando el espaciamiento de camiones de 15 m3 y de 9 m3.

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Tipos de materiales para capas de base Los materiales obtenidos directamente en los cortes de las minas o en las riberas de los ríos son económicos y permiten obtener unas sub-bases de malas a buenas, en función de su resistencia o valor CBR. A medida que la capa se acerca a la superficie sobre la cual se aplicarán las cargas, sin embargo, se requieren materiales de mejor calidad, los cuales son normalmente obtenidos al procesar agregados extraídos de las márgenes de los ríos. El procesamiento permite modificar algunas de sus propiedades fundamentales, a saber: forma y tamaño, textura y distribución de tamaños. Este procesamiento significa un costo adicional, pero el aumento de sus propiedades mecánicas significa una disminución en sus espesores de diseño, por lo cual es una alternativa muy común en la ingeniería de pavimentos. Los materiales “naturales” que son sometidos a procesos de modificación de forma, tamaño y granulometría —y algunas veces a lavado para disminuir su plasticidad— son conocidos como “materiales procesados”. Estos materiales procesados derivan sus niveles de mayor resistencia (mayor CBR) —mayor resistencia al corte— fundamentalmente por la fricción interna que se logre entre los granos, y la cual, a su vez, es función de una serie de propiedades de ingeniería del agregado: • distribución granulométrica • forma y textura de las partículas • tamaño máximo • limpieza • densidad Distribución granulométrica La distribución de tamaños es la propiedad más importante de un material que sea empleado en una capa de base o de sub-base, ya que permitirá un contacto grano a grano, garantizando así el desarrollo de un adecuado nivel de resistencia. Un agregado que contenga pocos o ningunos finos logra su estabilidad por el contacto “grano a grano”. Normalmente son de baja densidad y muy permeables; sin embargo, debido a su naturaleza no cohesiva, son muy difíciles de trabajar en obra. La Figura 3(a) muestra este tipo de distribución granulométrica. Por otra parte, un agregado que contenga suficientes finos para llenar todos los vacíos entre las partículas o granos, tal como se observa en la Figura 3(b), también logrará su estabilidad por el contacto “partícula a partícula”, pero con una mayor resistencia al corte. Su densidad será alta y su permeabilidad relativamente baja. Este material es moderadamente fácil de compactar, pero es el ideal desde el punto de vista de la estabilidad, ya sea que se encuentre en una condición confinada o no-confinada. La Figura 3(c) muestra un material que contiene un excesivo porcentaje de finos, y ha perdido su contacto “grano a grano”, y el grueso simplemente “flota” en los finos. Su densidad será baja y es prácticamente impermeable. La estabilidad en este tipo de materiales se ve marcadamente afectada por las condiciones de humedad. Quizás una de sus pocas ventajas es su facilidad de ser trabajado y compactado en obra.

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(a)

(b)

(c)

Figura 3. Estados físicos de las mezclas granulares (Yoder & Witzack, 1981).

La Figura 4 muestra los resultados de densidad y CBR obtenidos en mezclas de gravas sin triturar y de textura lisa, con tamaño máximo de ¾ de pulgada en las cuales se ha variado el contenido de finos. Los pesos unitarios secos corresponden a los máximos de los ensayos de densidad-humedad para cada granulometría, y los valores de CBR fueron realizados en muestras saturadas. La densidad máxima para este agregado, con una granulometría “bien gradada” —es decir con adecuada proporción entre gruesos y finos— resulta cuando el porcentaje de P-200 se ubica entre un 8 y un 10%, sea cual sea la energía de compactación. Los máximos valores de CBR, sin embargo, se lograron cuando el % de P-200 se ubicó entre el 6 y el 8%. El pico de la curva de pesos unitarios secos contra % de P-200 representa la condición (b) de la Figura 3, mientras que las porciones de las curvas a derecha e izquierda de dicho máximo corresponden a las condiciones (a) y (c) respectivamente. La distribución granulométrica de los materiales que cumplen con el experimento anterior, desarrollado por el Ing. Fuller, toma la siguiente forma: ⎛ d (i ) ⎞ % p( i ) = 100 × ⎜ ⎟ ⎝ TM ⎠

0.45

En donde %p(i) = porcentaje de material pasante el tamiz de tamaño (i) d(i) = tamiz correspondiente al tamaño (i) TM = tamaño máximo de la distribución granulométrica (tamiz más pequeño por el que pasa el 100% del material).

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Figura 4: Variación de los valores de peso unitario y CBR en función del contenido de finos en una mezcla de grava sin triturar y con textura lisa. Fuente: Yoder & Witczac: Principles of Pavement Design

La densidad máxima, según Fuller, ocurre normalmente cuando el exponente “n” es igual a 0.50. Estudios mas recientes han demostrado que este valor es realmente 0.45. En consecuencia, para el material representado en la Figura 4, con un tamaño máximo de ¾” (19 mm), la solución para el P-200 (0.074 mm) resulta en un 6.2% —si el exponente es de 0.5— y de 8.2% si el exponente es 0.45, en ambos casos los valores son consistentes con los mostrados en la figura 4. En la misma Figura 4 se señalan tres diferentes energías de compactación, y se observa que la Ecuación de Fuller se cumple independientemente de la energía de compactación. Se observa, además, que los mayores valores de densidad y resistencia CBR se alcanzan cuando ha sido mayor la energía de compactación (AASHTO Estándar contra 15 y 5 golpes por capa). Efecto de la forma y textura de los granos Fuller realizó ensayos similares a los anteriores, manteniendo la misma distribución granulométrica, pero con agregados triturados, variando la forma y de la textura de los granos que conforman la mezcla de materiales, para demostrar su efecto en la densidad y en la resistencia CBR. (La figura 5 muestra partículas de agregados con diferentes formas y texturas). A tal efecto trituró la grava redondeada y sus resultados se muestran en la Figura 6. Se observa en esta figura que el efecto de la fracción fina sobre el CBR es menos marcado que en el caso de la mezcla con granos redondeados. Se observa también, en la Figura 5, que para los mismos valores de P-200 que en la Figura 4, los valores ___________________________________________________________________________________

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de CBR en la mezcla con agregados triturados son siempre mayores; esto se debe al efecto de la forma y de la textura superficial, ya que por la mayor trabazón de los agregados se alcanza un mayor valor en el ángulo de fricción interna (φ).

Figura 5: Partículas de agregados con diferentes formas y texturas superficiales

Figura 5: Variación de los valores de peso unitario y CBR en función del contenido de finos en una mezcla de grava triturada con textura semi-rugosa. Fuente: Yoder & Witczac: Principles of Pavement Design.

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Es oportuno recordar la expresión del esfuerzo resistente (τ), de Mohr-Coulomb,

τ = c + σ n tg φ donde: τ = resistencia al esfuerzo cortante c = cohesión de la fracción fina σn = esfuerzo normal al plano de corte φ = ángulo de fricción interna La ecuación explica el mecanismo de desarrollo de la resistencia total de un material granular. La fracción gruesa de la estructura o distribución granulométrica, la forma de estas partículas y su textura superficial generan la trabazón de los granos, aportando el componente de la resistencia por la fricción interna. Los elementos finos dentro de la distribución de tamaños , aun cuando solo representan un escaso porcentaje, deben ser mas rigurosamente controlados, pues son los que proporcionan la cohesión que mantiene unidos todo el material. Las normas internacionales (ASTM y AASHTO) incorporan en las especificaciones valores mínimos de “caras fracturadas”, reconociendo así su efecto en el desarrollo de la resistencia. La Norma COVENIN, reconoce de igual forma la necesidad de que los granos presenten forma cúbica o irregular, y que su textura sea gruesa, y establece un mínimo de 50% para este criterio en el caso de grava triturada y del 100% para la piedra picada. La norma venezolana también permite el empleo de materiales sin triturar en las capas de base granular, particularmente en la Norma 11-3 (granzón mezclado), pero señala valores mínimos de CBR del 60% si el tránsito es liviano y del 80% si es pesado. Las gravas naturales no alcanzan estos mínimos con facilidad, por lo cual para las mezclas de base granular normalmente se prefieren las gravas trituradas y la piedra picada. Efecto del tamaño del grano en la resistencia Se ha apuntado que en el desarrollo de la resistencia tienen efecto la distribución granulométrica, la forma y la textura de los granos. Las Figuras 4 y 5 corroboran esta afirmación. Se ha comentado que también el tamaño de los granos debe estar relacionado con el desarrollo de la resistencia. La Figura 6 demuestra esta afirmación. En esta figura se observa que tanto la densidad como la resistencia se incrementan con el aumento en el tamaño máximo de los granos de la mezcla de agregados. Se corrobora también la Ecuación de Fuller, ya que al aumentar el tamaño máximo disminuye, para un tamiz determinado, el porcentaje del material para alcanzar la máxima densidad y resistencia. Es conveniente apuntar que la Ecuación de Fuller tiene una solución aproximada, pues los agregados son tridimensionales y la ecuación ha sido simplificada a una sola dimensión. ___________________________________________________________________________________

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Figura 6: Variación de los valores de peso unitario y CBR en función del contenido de finos y del tamaño máximo de la mezcla de agregados. Fuente: Yoder & Witczac: Principles of Pavement Design.

Efecto de la granulometría y la densidad en la resistencia La mayoría de las normas de construcción solo establecen un requisito de porcentaje de compactación como requisito de aceptación o rechazo de una base granular, ya que asocian esta sola propiedad como medida de la resistencia. Este criterio es válido siempre y cuando la mezcla en obra siempre reproduzca la distribución granulométrica del material “como ensayado”, lo cual no siempre es posible alcanzar debido a la variabilidad propia de todo proceso de construcción. La Figura 7 compara valores de CBR para muestras que han alcanzado la misma densidad, y en ella se muestra que las mezclas con exceso de finos (condición (c) de la Figura 2) siempre tiene menor resistencia que una mezcla con menor contenido de finos (condición (a) de la Figura 2) y que ha sido compactada a la misma densidad. La mezcla con mayor resistencia ha desarrollado su estabilidad no solo en función de la densidad, sino del contacto grano a grano, y el efecto de los finos es menos marcado que en la mezcla “rica en finos”.

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Figura 7: Efecto del contenido de finos en la resistencia de un materia compactado. Fuente: Yoder & Witczac: Principles of Pavement Design.

Efecto de la limpieza Las propiedades físicas de la “fracción ligante” de un material juega un papel importante en el desarrollo de su resistencia mecánica, especialmente cuando se destruye el “contacto grano a grano”. La Figura 8 muestra el efecto de la plasticidad en la resistencia CBR de un suelo con tamaño máximo de 19 mm. Se observa que para el “Suelo A”, que tiene una baja plasticidad (IP = 4.1%), el CBR se mantiene prácticamente igual hasta valores del P-40 del orden del 25%, siendo el efecto de la plasticidad prácticamente despreciable, mientras que para los “Suelos b y C”, que tienen mayores valores de IP, el efecto de la plasticidad tiene un marcado efecto sobre la resistencia, para iguales contenido de P-40 que en el suelo A. Recordando la Ecuación de Fuller, para el tamaño # 40 y con tamaño máximo de 19 mm, el valor de máxima densidad se encuentra cuando el % pasante se encuentra en el 15%, lo cual coincide con los valores de la Figura 8.

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Figura 8: Efecto de la plasticidad en la resistencia. Fuente: Deklotz, Proceedings, HRB, 1940.

Estos resultados señalan que mientras el porcentaje de la fracción fina se mantenga por debajo del valor correspondiente al de máxima densidad, el efecto de la plasticidad sobre la resistencia es mínimo. Sin embargo, las normas internacionales (AASHTO y ASTM) y nacionales (COVENIN) han incorporado, como un elemento adicional en la calidad de los materiales para bases granulares, valores máximos de Límite Líquido (25%) y de Índice de Plasticidad (6%). Lo ideal, en consecuencia es que el material propuesto satisfaga estos valores, pero si la economía del proyecto lo exige, pudieran emplearse materiales con plasticidad mayor a la normada, siempre y cuando se obtenga la resistencia establecida y se puedan obtener mezclas pobres en finos, es decir que las granulometrías resulten en cifras iguales o menores al valor óptimo, de acuerdo a los lineamientos que se han presentado anteriormente en función de la Ecuación de Fuller.

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Especificaciones granulométricas COVENIN para bases granulares COVENIN recomienda dos tipos de bases granulares: gravas trituradas (Norma 11-4) y piedra picada (Norma 11-5), con iguales bandas granulométricas en cada una de ellas: Mezcla Tipo 1 Mezcla Tipo 2 Mezcla Tipo 3

2” 100

1” —

2” 100

1” 75-95

2” —

1” 100

% pasante el tamiz 3/8” #4 # 10 30-65 25-55 15-40 % pasante el tamiz 3/8” #4 # 10 40-75 30-60 20-45 % pasante el tamiz 3/8” #4 # 10 50-85 35-65 25-50

# 40 8-20

# 200 2-10

# 40 15-30

# 200 5-20

# 40 15-30

# 200 5-18

Resistencia a la disgregación A los efectos de las bases y sub-bases granulares, se define la “resistencia a la disgregación”, como la habilidad de estos materiales para soportar los efectos de la abrasión y/o trituración durante las etapas de mezclado, extendido y compactación, sin que se modifiquen su tamaño y granulometría. La Norma COVENIN establece el criterio de Desgaste Los Ángeles en cuanto a estas propiedades, y recomienda valores máximos de 50% tanto para la grava triturada como para la piedra picada. Resistencia mecánica Como envolvente de todas las propiedades a las que se ha hecho referencia, la Norma COVENIN exige el cumplimiento de valores mínimos de resistencia CBR de un 80% para la piedra picada (11-5), independientemente del tipo de tránsito, y de 60% y 80% para la grava triturada (11-4) para tránsitos livianos y pesados, respectivamente. Permeabilidad La facilidad con que un material granular permite la evacuación del agua se define como su “permeabilidad” y es función de su granulometría, tipo de agregado grueso, tipo de “fracción ligante” y de su densidad o grado de compactación. La Figura 9 muestra el coeficiente de permeabilidad como una función de la distribución de tamaños del material. Un material que satisfaga la ecuación de máxima densidad, tal como ha sido definida con anterioridad, es prácticamente impermeable. En los últimos años se ha reconocido la necesidad de la permeabilidad, a veces por encima de su densidad. El Ing. H. Cedergreen (Drainage of highways and airfield pavements, 1974) ha presentado una serie de estudios que demuestran las ventajas de emplear mezclas límpias, con granulometrías muy abiertas en las capas de bases granulares, tal como se observa en la Figura 9.

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Esta ventaja de la permeabilidad es también reconocida en el Método AASHTO-93 para el diseño de pavimentos, cuando incorpora unos “coeficientes de drenaje” que potencian el empleo de mezclas más drenantes en la construcción de pavimentos.

Figura 9: Granulometrías convencionales y sus valores de permeabilidad (Fuente: H. Cedergreen).

Es necesario, en consecuencia, balancear los criterios de máxima resistencia, normalmente asociados con máximas densidades, y la ventaja de disponer de materiales con suficiente permeabilidad. En el volumen 3 de estos Apuntes de Pavimentos se tratará con mas detalle la manera de medir la permeabilidad de los materiales granulares y de su efecto en el diseño de pavimentos. Un aspecto que debe ser tomado en cuenta, por otra parte, cuando se decide empleara materiales permeables, es el del fenómeno de la “intrusión”, es decir la posibilidad de la migración de los finos de la capa de sub-rasante hacia la sub-base o base, con la consecuente modificación de las granulometrías de estas capas, haciéndolas mas finas y por lo tanto menos resistentes, y aumentando su plasticidad, ambos efectos negativos en el comportamiento estructural de estos materiales. Si un material, ya sea de sub-base o de base granular, presenta un coeficiente Fuller igual o mayor a 1.20, aun cuando esté bien gradado, pueden presentar intrusión.

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La intrusión se controla con la colocación de un manto de arena, de un tamaño nominal máximo de 1/8”, en espesores entre 5 y 10 cm. Hoy en día se emplean, como alternativa sustitutiva, y con mucho éxito los geosintéticos, con el fin de minimizar el fenómeno de la intrusión. Limpieza Un requisito adicional es que los materiales granulares a ser empleados en bases y/o sub-bases deben estar libres de materiales deletéreos tales como: material vegetal u orgánico, lutitas, partículas blandas, terrones de arcilla, etc. Gravedad o peso específico Una última propiedad que es necesario conocer en los materiales granulares es su Gravedad o Peso Específico (Gs), ya que esta característica es requerida para la corrección de las proporciones de combinación para lograr una granulometría determinada. Combinación de agregados Muy raras veces se obtiene un material que, sin ser procesado o mezclado con otro(s), satisfaga directamente los requisitos granulométricos impuestos en las especificaciones de construcción de bases granulares. Esta afirmación es siempre valedera en las especificaciones de agregados para mezclas de grava triturada, piedra picada.. La insuficiencia granulométrica que presenta un agregado puede ser resuelta mediante la adición, o combinación, de uno o más agregados adicionales, en forma que la mezcla que de ellos resulte si cumpla con los límites que tales especificaciones establezcan. En otras oportunidades varios materiales deben mezclarse para reducir su plasticidad, o para incrementar el porcentaje de caras producidas por fractura, o para modificar su tamaño máximo, o para mejorar la textura superficial del agregado original. Determinar las cantidades relativas de los distintos agregados para obtener ese objetivo específico, es un problema de dosificación que puede ser resuelto por métodos gráficos o analíticos, o simplemente por “tanteos sucesivos”. Principios básicos La fórmula que expresa el procedimiento de combinación, independientemente del número de agregados a mezclar y del método de proporcionarlos, es la siguiente: P = Aa + Bb + Cc + …… + Nn

(1)

en donde, P = porcentaje de material que pasa un tamiz dado, resultante de la combinación de los agregados A, B, C … N (*) A, B, C, …, N = porcentaje de material que pasa un tamiz dado, para cada uno de los agregados empleados en la combinación (*) ___________________________________________________________________________________

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a, b, c, …, n = proporciones -expresadas en forma decimalresultantes de la combinación para cada uno de los materiales empleados, y cuya sumatoria es igual a 1,00 (*) Nota: el valor de P, y de A, B, C, …, N, puede corresponder también al porcentaje total que es retenido en un tamiz determinado, o al porcentaje que pasa ese tamiz y es retenido en otro tamiz Los porcentajes pasantes para cada tamiz (P), determinados según la fórmula (1), deben ser, normalmente, lo más cercanos posibles a la media de las especificaciones para cada uno de esos tamices. En otras ocasiones se deben satisfacer tanto los requisitos granulométricos como los económicos, y la combinación, aún cuando debe estar dentro de los límites granulométricos, puede no coincidir con la "media de las especificaciones". Estos factores de economía están relacionados, por ejemplo, con los volúmenes de producción, y es deseable que la combinación resultante sea semejante a la proporción en que los agregados se producen, es decir que la "oferta de producción" sea igual a la "demanda de combinación". Dosificación de agregados por el Método de los “Tanteos sucesivos” La utilización de las computadoras personales ha facilitado el procedimiento de combinación o dosificación de agregados, ya que en una Hoja de Excel se puede lograr, en un muy breve tiempo, el proporcionamiento de los agregados disponibles hasta lograr el cumplimiento de las especificaciones que hayan sido establecidas en el proyecto de obra. Las hojas de cálculo han hecho ya impráctico los procedimientos gráficos o los que se han conocido como “analíticos”, que aplicaban también los procedimientos de “tanteos sucesivos”. Como su nombre lo indica, el Método de “tanteos sucesivos” consiste en seleccionar unos porcentajes cualesquiera para cada uno de los agregados a ser combinados, y en función de los resultados obtenidos en este “primer tanteo” ir ajustando progresivamente los porcentajes, hasta alcanzar el que la combinación obtenida satisfaga los límites impuestos para la mezcla seleccionada. Un ejemplo permitirá aclarar este procedimiento: Límites granulométricos seleccionados El Proyectista ha seleccionado la granulometría Tipo 2 correspondiente a una base de grava triturada, por lo cual se establecen los siguientes límites en la banda de tamaños Mezcla Tipo 2

2” 100

1” 75-95

% pasante el tamiz 3/8” #4 # 10 40-75 30-60 20-45

# 40 15-30

# 200 5-20

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Nota: los límites de los porcentajes pasantes que no aparecen en la especificación y sí en las tablas que se presentan a continuación han sido seleccionados por interpolación directa al dibujar los valores establecidos en un gráfico granulométrico. Agregados disponibles En obra se dispone de los agregados que se indican a continuación:

Tipo de material

Arena cernida Arrocillo-polvillo Piedra picada

Granulometrías de los materiales en las pilas % Pasante el tamiz de 50,8 mm

25,4 mm

2"

1"

100.0

19,4 mm

12,5 mm

3/4 " 100.0

1/2 " 95.6 100.0 39.4

85.0

55.0

9,5 mm

4,74 mm

2,36 mm

#4 62.9 70.9 2.4

# 10 45.3 44.4 1.5

3/8" 83.8 100.0 15.7

0,60mm

# 40 22.5 25.1

0,15mm

0,074mm

# 100 8.4 13.5

# 200 6.8 10.5

Primer tanteo El Proyectista ha seleccionado un 40% para la arena cernida, un 15% para el arrocillo-polvillo y un 45% para la piedra picada, en función de que estas proporciones se ajustan a los niveles de producción en picadora.

Tipo de material Arena cernida Arrocillo-polvillo Piedra picada Combinación Límite superior Límite inferior

Granulometrías combinada resultante en el Primer Tanteo % en la % Pasante el tamiz de combinación 50,8 mm 25,4 mm 19,4 mm 12,5 mm 9,5 mm 4,74 mm 2,36 mm 0,60mm 0,15mm 0,074mm 1" 3/4 " 1/2 " 3/8" #4 # 10 # 40 # 100 # 200 2" 40.0% 100.0 100.0 100.0 95.6 83.8 62.9 45.3 22.5 8.4 6.8 15.0% 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 70.9 44.4 25.1 13.5 10.5 45.0% 100.0 85.0 55.0 39.4 15.7 2.4 1.5 100.0%

100.0 100 100

93.3 95 75

79.8 89 64

71.0 81 49

55.6 75 40

36.9 60 30

25.4 45 20

12.8 30 15

5.4 22 8

4.3 20 5

Como se observa en el resultado de la combinación (tabla y gráfico), la granulometría no satisface los límites del Tipo 2 (COVENIN 11-4) en los tamices de # 40 # 100 y # 200, ya que se sale por debajo del límite inferior.

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___________________________________________________________________________ Combinación agregados (Arena 40% + Arrocillo-polvillo 15% + Piedra picada 45%) 100 90 80 % pasante

70 60 50 40 30 20 10 0 #200

#100

#40

#8

#4

3/8"

1/2"

3/4"

1"

2"

Tamaño del tamiz

La combinación resultante es muy gruesa en los tamices finos. Para corregir esta desviación se debe aumentar un agregado que tenga mayor porcentaje pasante en los tamices finos. Indudablemente al aumentar un agregado deberá disminuirse otro, pues la suma de las proporciones debe ser igual al 100%. Segundo tanteo Para el segundo tanteo se incrementa el arrocillo-polvillo a un 55%, por ser este el material con mayor contenido de finos, se disminuyen el porcentaje de arena cernida y el de piedra picada. Con estas modificaciones la granulometría satisface los límites exigidos y puede ser llevada a obra.

Tipo de material

Arena cernida Arrocillo-polvillo Piedra picada Combinación Límite superior Límite inferior

Granulometrías combinada resultante en el Segundo Tanteo % en la % Pasante el tamiz de combinación 50,8 mm 25,4 mm 19,4 mm 12,5 mm 9,5 mm 4,74 mm 2,36 mm 0,60mm 0,15mm 0,074mm 2" 1" 3/4 " 1/2 " 3/8" #4 # 10 # 40 # 100 # 200 100.0 100.0 100.0 95.6 83.8 62.9 45.3 22.5 8.4 6.8 10.0% 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 70.9 44.4 25.1 13.5 10.5 55.0% 100.0 85.0 55.0 39.4 15.7 2.4 1.5 35.0% 100.0%

100.0 100 100

94.8 95 75

84.3 89 64

78.3 81 49

68.9 75 40

46.1 60 30

29.5 45 20

16.1

8.3 22 8

30 15

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4 -20

6.5 20 5


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Combinación agregados (Arena 10% + Arrocillo-polvillo 55% + Piedra picada 35%) 100 90 80 % pasante

70 60 50 40 30 20 10 0 #200

#100

#40

#8

#4

3/8"

1/2"

3/4"

1"

2"

Tamaño del tamiz

En este ejemplo, aun cuando se satisfacen los límites de las especificaciones, se hace evidente que se ha producido un marcado desbalance entre la producción en picadora y la demanda en obra, por lo cual deberá estudiarse la posibilidad de introducir cambios en el sistema de la trituradora, importar algún otro material, o aún proponer un cambio en el Tipo de la especificación, con el fin de alcanzar un proceso mas económico en obra. Empleo de dos o más materiales Cuando los materiales disponibles no resultan con granulometrías, CBR o Plasticidad de acuerdo con lo que establezcan las especificaciones que rijan el proyecto, es necesario recurrir a la mezcla de dos o más materiales, cada uno de granulometría diferente, y mediante un proceso de proporcionamiento adecuado, lograr que la mezcla que se obtiene satisfaga los requisitos granulométricos establecidos, tal como fue requerido en el ejemplo anterior en la combinación de tres agregados. A continuación se presenta un ejemplo que permite describir el procedimiento de proporcionamiento en campo, en el caso de dos materiales. Un procedimiento similar debe ser aplicado cuando se combinen tres o mas materiales.

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4 -21


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Ejemplo No. 2. Determinación de espaciamiento de camiones con dos materiales Determinar el espaciamiento de los camiones para lograr un espesor compactado de 25 cm, en una calzada de 7.81 m de ancho. Se dispone de camiones de 9 m3 y de 15 m3. Es necesario emplear dos materiales, cada uno con las siguientes características: Material

Proporción en peso

Peso unitario suelto (kg/m3 )

Grueso

70%

1.420

Fino

30%

1.680

Solución El ejemplo será resuelto para un tramo de las mismas dimensiones que el Ejemplo No. 1, es decir: 1. Volumen de material compactado = ancho x largo x espesor Ancho medio = [7.818 + 2 x (½ x 0,25)] = 8,063 m Largo = 300 m Espesor = 0,25 m Volumen compactado = 8,063 x 300 x 0,25 = 604,69 m3 2. Volumen del material suelto total Con la combinación en peso de ambos materiales (70% + 30%), se ejecuta un ensayo Proctor Modificado, para el cual se obtiene un peso unitario seco máximo de 2.100 kg/m3 y una humedad óptima del 5,5%. Si se asume una especificación de densidad del 95% de la Densidad máxima seca, el peso unitario seco del material ya extendido y compactado en la carretera será = 2.100 x 0,95 = 1.995 kg/m3. La cantidad requerida de cada material se obtiene de acuerdo al procedimiento que se detalla en la siguiente tabla: Material

% en peso

Peso para un m3 compactado (kg)

Grueso

70 %

1.397

1.420

0,98

Fino

30 %

598

1.680

0,36

Total

100 %

1.995

Peso unitario seco Volumen suelto para (kg/m3) 1 m3 compactado

1,34

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El valor de 1,34 m3 de material suelto, requerido para lograr 1,0 m3 de material compactado en obra, permite obtener el porcentaje de esponjamiento, en este caso 34%. El volumen suelto será, en consecuencia igual a: Volumen suelto = volumen compactado x % esponjamiento Vsuelto = 604,69 x 1,34 = 810.14 m3 3. Volumen requerido para cada material La proporción en volumen de cada material será igual a: • % volumen material grueso = 100 x 0,98 / 1,34 = 73% • * % volumen material fino

= 100 x 0,36 / 1,34 = 27%

Del volumen suelto total requerido (810,14 m3), será necesario emplear, por lo tanto, las siguientes cantidades de cada material: • de material grueso = 810,14 x 0,73 = 591,40 m3 • de material fino

= 810.14 x 0,27 = 218,74 m3

4. Número de camiones de requeridos para cada tipo de material En el tramo de 300 m de longitud, asumiendo que se emplearán solo camiones de 15 m3 de capacidad, se requerirá el siguiente número de camiones por tipo de material: • camiones para el material grueso = 591,40 / 15 = 39,4 camiones. Se aproxima a 39 camiones. • camiones para el material fino = 218,74 / 15 = 14,5 camiones. Se aproxima a 15 camiones. 5. Espaciamiento entre camión a camión por tipo de material El espaciamiento de camión a camión, por tipo de material, será el siguiente: • Espaciamiento entre carga de camión a camión de material grueso = 300 m / 39 camiones = 7,7 m. Se aproxima a 7.5 m. • Espaciamiento entre carga de camión a camión de material fino = 300 m / 15 camiones = 20,0 m

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4 -23


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La Figura 10 muestra el espaciamiento de los camiones en este ejemplo.

7.5/2 m

7.5 m

7.5 m

10 m

7.5m

7.5/2 m

20 m

Inicio tramo 300 m Figura 10. Esquema de espaciamiento entre carga de camiones para el caso de dos materiales diferentes.

Otra manera de proceder al mezclado de dos o más materiales, la cual es considerada por muchos Ingenieros de Campo como el mejor procedimiento, es extender el material por capas sucesivas, es decir, se apila el material, y se extiende sobre media sección. Sobre este material ya extendido se apila el siguiente material y se extiende sobre el primero, y así sucesivamente en el caso de que haya más de dos materiales. De esta manera se obtiene un “sandwich” formado por una sucesión de capas de diferentes materiales, tal como se muestra en la secuencia fotográfica de la Figura 11. Extendido del (los) material(es) requerido(s). Normalmente la distribución de las pilas de material se hace solo sobre la mitad de la plataforma, con el fin de que la otra mitad esté disponible para las operaciones de extendido y mezclado, en caso de que se utilice más de un tipo de material. Una vez que la distribución de la cantidad de material requerido ha sido concluida, se procede al paso de la cuchilla de la motoniveladora por el borde de las pilas del material que ha sido depositado sobre la plataforma, con el fin de formar un “camellón (cordón)”, es decir una pila de menor altura y continua (Véase Figura 11). Este camellón se forma cuando la cuchilla corta la pila del material y la empuja hacia un lado. Puede ser necesario que la motoniveladora pase más de una vez, hasta que alcance a formar un camellón continuo y de sección transversal uniforme.

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(a)

(b)

(c)

(d)

(e) Figura 11. Secuencia constructiva del sistema tipo sandwich. (a) Descarga de camiones en pilas. (b) Extendido del primer material. (c) Descarga del segundo material. (d) Extendido y mezclado del segundo material. (e) Detalle de extendido de los diferentes materiales. El procedimiento se repite tantas veces como el número de materiales a utilizar.

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• Módulo de Elasticidad en las sub-bases granulares: "Módulo de Elasticidad Dinámico (Esb)" Si ha sido definido a "Ø" como el "esfuerzo masivo", es decir la sumatoria de los esfuerzos principales, tal como se indica en la Figura 12, el módulo de elasticidad de los materiales que se emplean como capa de "sub-base" -que se denomina "Módulo de Elasticidad Dinámico (Esb)", puede ser determinado por la siguiente ecuación

Figura 12: Esquema de esfuerzos aplicados en un material granula

Esb = K1 ØK2

...........(Ecuación 1)

El valor del coeficiente K1, que es función del estado del material, varía entre 7.000 para el caso de que el material esté seco, de 5.400 para cuando está húmedo, hasta 4.600 en el caso de que esté saturado. El valor de K2 se toma como 0,60. En la Tabla 1 se presentan los valores de Ø, que son función del espesor esperado de mezclas asfálticas en la estructura de pavimento. Tabla 1 Determinación del valor de Ø para sub-bases ___________________________________ Espesor de asfalto (cm) Ø ___________________________________ < 5,0 10,0 ≥ 5,0 ≤ 10,0 7,5 > 10,0 5,0 ___________________________________ Nota: valores válidos para espesores de sub-base entre 15,0 y 30,0 cm.

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Sub-bases y bases granulares ___________________________________________________________________________

• Módulo de Elasticidad en las bases granulares: "Módulo de Elasticidad Dinámico (E)" En el caso de bases granulares, el Módulo de Elasticidad Dinámico (Eb), tiene la misma expresión que para las sub-bases, es decir: Eb = K1 ØK2

...........(fórmula 2)

El coeficiente K1, función de la humedad del material de base, varía entre un valor de 8.000 cuando está seco, a 9.000 cuando está húmedo, hasta 3.200 cuando se encuentra saturado. El coeficiente K2, por su parte varía entre 0,50 y 0,70, adoptándose 0,60 como valor más frecuente. La Tabla 2 permite seleccionar los valores de Ø, una vez estimados los valores de espesor total de mezclas asfálticas en la estructura del pavimento. Tabla 2 Valores de Ø en materiales de base granular ______________________________________________ espesor de asfalto Mr de la subrasante (cm) 3.000 7.500 15.000 _______________________________________________ < 5,0 20 25 30 ≥ 5,0 < 10,0 10 15 20 ≥ 10,0 < 15,0 5 10 15 > 15,0 5 5 5 ________________________________________________ Los valores de Esb y Eb que son empleados en las ecuaciones de diseño de espesores, tal como se verá más adelante, se expresan en unidades de "psi". Los valores del módulo de elasticidad en los materiales granulares -bases y subbases- aumentan a medida que se incrementa su densidad y aumenta la angularidad de las partículas que lo conforman. Por otra parte, se aumenta el valor de "E" al disminuir el grado de saturación de estos materiales.

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Sub-bases y bases granulares ___________________________________________________________________________

Ecuaciones de correlación entre el CBR y el Módulo Elástico en materiales granulares. Al igual que en los materiales de fundación, existen varias ecuaciones de correlación para poder estimar el valor del Módulo Elástico a partir de ensayos empíricos tal como el CBR. Las siguientes ecuaciones han sido tomadas de la versión de la Portland Cement Association (PCA), denominada Pavement Analysis System (PAS) la Guía de Diseño AASHTO-93: •

•

Para sub-bases y bases granulares con CBR hasta 80%

• MR = 385,08* CBR + 8.660 (psi) Para sub-bases y bases granulares con CBR >= 80%

• MR = 321,05* CBR + 13.327 (psi)

El tema de los Módulos Elásticos será nuevamente tratado en el Volumen 3, en el momento de la discusión de la aplicación del Método AASHTO-93. • Especificaciones de uso de materiales granulares no estabilizados, en función de los valores de CBR e hinchamiento. A continuación se presentan las especificaciones más comunes utilizadas por organizaciones relacionadas con pavimentos, y que se fundamentan en los valores CBR para los materiales a ser empleados como sub-bases y bases granulares. • Especificaciones de la AASHTO Valor CBR ≥ 30,0 ≥ 80,0

% hinchamiento

Uso establecido

≤ 2,0 ≤ 1,0

Sub-bases granulares Bases granulares

• Especificaciones COVENIN (MTC, 1977) Valor CBR

% hinchamiento

> 20,0 ≤ 60,0 > 60,0 ≤ 80,0

— —

> 80,0

—

Uso establecido

Sub-base granular Base granular para pavimentos con tráfico liviano a mediano Base granular para pavimentos con tráfico pesado

Es conveniente combinar ambas especificaciones para exigir no solamente valores CBR para los materiales a emplear en las diferentes capas, sino también los límites de % de hinchamiento, con el fin de lograr los mejores pavimentos.

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Capítulo 5 Estabilización de suelos. Diseño y construcción de capas de suelo-cemento


Estabilización de suelos y mezclas de suelocemento ___________________________________________________________________________

Introducción En muchos casos, los suelos que se encuentran en el lugar de una obra vial o en sus alrededores, no poseen las características físico-mecánicas que son necesarias para que ellos puedan soportar las cargas procedentes del tráfico a que han de estar sometidos. Es por ello por lo que se recurre a las "estabilizaciones", que no son más que el conjunto de procesos para aumentar la calidad de los materiales para evitar las deformaciones plásticas, o disminuirlas a un valor mínimo de acuerdo a las solicitaciones de carga y clima que soportarán, mediante la adición de un modificador o corrector. Para corregir las características originales del suelo, cuando éstas no son aceptables y proporcionales a la estabilidad deseada, se utilizan diferentes técnicas de estabilización, cuya clasificación responde, a veces a los métodos de trabajo, y otras a los productos de adición empleados como correctores. Es así como se obtienen dos grandes grupos de "estabilizaciones": 1. "Estabilización Química", que se refiere al cambio de las propiedades del suelo por efectos químicos motivado a la combinación de ciertos aditivos tales como los cementos, cal y aceites sulfonados. En el caso particular de Venezuela se emplean fundamentalmente las estabilizaciones con cemento y, en un menor grado, con aceites sulfonados. 2. "Estabilización por tratamiento" que no precisan la adición de productos, sino que simplemente se hacen por medio de aplicaciones, generalmente localizadas, por medio de sistemas térmicos, eléctricos, de impacto, etc. Este tipo de estabilizaciones prácticamente no se emplean en obras de vialidad. Estabilización mecánica Debe recordarse, antes de tratar el tema de "estabilizaciones", que los agregados y/o materiales que presentan una distribución ordenada de las partículas o granos, pueden mejorarse mediante su densificación con humedad adecuada, y en caso de ser requerido, se complementa con la incorporación de un material adicional. Este proceso se conoce como "Estabilización Mecánica". Los conceptos relacionados con esta estabilización son: granulometría, plasticidad, trabazón de las partículas y cohesión y fueron tratados en el Capítulo 4 de estos Apuntes. La manera como estos factores entran en juego depende en cada caso de los fines que se persiguen. Así, por ejemplo, si se trata de lograr una superficie resistente en una grava limpia, ésta deberá mezclarse con un suelo fino y plástico que proporcione cohesión ("pega"), es decir, se debe aumentar la plasticidad. Un suelo de granos redondeados y de poca trabazón puede hacerse más estable y resistente si se mezcla con otro suelo de granos angulares y gradados que proporcione buena trabazón. La Plasticidad de un material puede reducirse con la adición de un suelo de baja plasticidad.

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Estabilización con Cemento a. mezclas de suelocemento El "suelocemento" es una simple mezcla íntima de suelo pulverizado con cantidades medidas de cemento Portland Tipo I y agua, compactada a alta densidad. La cantidad de cemento empleada, según el procedimiento de diseño, debe ser igual o mayor al 5% en peso del material, aún cuando en Venezuela se han construido bases de gravacemento con un 4% de cemento. Al hidratarse el cemento, la mezcla se convierte en un material resistente y durable, diferente de cada uno de sus componentes y que ha probado su excelencia al ser empleado en la construcción de carreteras. En Venezuela se empleó el suelo-cemento muy profusamente durante los años 65-75, y aún cuando se ha continuado su utilización a partir de esos años, ya no lo es en los mismos volúmenes. Existen en Venezuela excelentes ejemplos de unas muy buenas bases de suelo-cemento: Autopista Valencia-Campo de Carabobo (1971), carretera Achaguas-El Samán-Mantecal (1967), carretera Bruzual-Elorza (1981), estas dos últimas en el Estado Apure, cerca de la frontera con Colombia. Se empleó también el cemento para la estabilización del suelo para la construcción de la base del pavimento en el Aeropuerto de la Chinita en Maracaibo (1969), y el de la grava utilizada como capa subbase en las áreas de estacionamiento del aeropuerto Simón Bolívar en Maiquetía (1972), así como la del suelo utilizado en la pista principal de este aeropuerto. En los últimos años (91 al 98) se ha empleado en la construcción de la base en la Autopista Circunvalación Norte de Barquisimeto (6 km) y en la de la Autopista Centro Occidental, en un tramo de otros 12 km, en la cual se empleó grava estabilizada con cemento. Actualmente se está empleando con mucho éxito en una serie de obras de vialidad en el Estado Yaracuy, entre las que destaca la Avenida de acceso al aeropuerto de San Felipe. b. Suelos mejorados con cemento Existe otra mezcla de suelo con cemento, que no llega a ser un "suelocemento", debido a que no alcanza a tener cantidades del aditivo iguales o mayores al 4%, y es aquel tratamiento que se hace generalmente a los suelos A-1 ó A-2 (granulares) con el fin de mejorar su capacidad de soporte y reducir su índice de plasticidad, pues aunque en su forma original cumplen con algunas de las especificaciones exigidas, requieren la adición de bajos porcentajes de cemento que lo transforman en suelos estables y resistentes que llenarán las condiciones contempladas en el proyecto. Este material, en Venezuela, se ha llamado "suelo mejorado con cemento", para diferenciarlo del suelocemento propiamente dicho. Los suelos mejorados con cemento se construyen de la misma manera que una sub-base granular, es decir siguiendo el procedimiento de “estabilización mecánica. Sólo es necesario, adicionalmente, tomar en cuenta los tiempos de mezclado, y compactación que serán comentados mas adelante para el suelocemento. En Venezuela no se ha aplicado el cemento para mejorar los suelos o gravas. C. Rehabilitación de pavimentos asfálticos con el empleo de cemento En los últimos años, ante la aparición en el mercado de máquinas de gran potencia, se ha desarrollado la técnica de estabilización en sitio, de pavimentos asfálticos deteriorados, con la adición de cemento y/o emulsión asfáltica. Esta técnica ha sido __________________________________________________________________________ 5-2


empleada solo en la rehabilitación de un tramo de 2 km de la Avenida Costanera en Barcelona, Estado Anzoátegui, pero ya se han licitado cerca de 250 km en los Estados Apure y Barinas, destacándose la carretera TO-02, en el tramo Bruzual-Mantecal, en el Estado Apure, con cerca de 65 km de longitud. Diseño de mezclas de suelo mejorado con cemento Este tipo de estabilización se diseña mediante la aplicación del ensayo de CBR a la mezcla elaborada, ya que el efecto del cemento es solo la reducción de la plasticidad y el incremento relativo de la resistencia. Diseño de mezclas de suelocemento Partiendo de la definición de "suelocemento", tres serán los requisitos indispensables a ser estudiados: a. La cantidad de cemento a ser agregado al suelo b. La cantidad de agua a ser incorporada a la mezcla c. La densidad a ser alcanzada en la compactación Requisitos de los materiales Cemento: El cemento Portland Tipo I, que es el que se comercializa en Venezuela en forma convencional en sacos de 42,50 kg, es el adecuado para el empleo en mezclas de suelo cemento. Agua: El agua debe ser preferiblemente potable, aún cuando cualquier agua limpia y libre de cantidades excesivas de álcalis, ácidos o materia orgánica. Se ha empleado agua de mar con resultados satisfactorios (caso de aeropuerto de Maiquetía). Suelo: De los tres materiales involucrados el que es más cuestionado es el suelo. Normalmente se pregunta, ¿cuál material es adecuado? La respuesta es que prácticamente todos los suelos (cualquier tipo de tierra) pueden ser mezclados satisfactoriamente con cemento. Las excepciones son los suelos orgánicos, arcillas muy plásticas (expansivas) y arenas inertes. En caso de duda sobre un suelo debe realizarse el ensayo ASTM D 4318 que permite identificar estos suelos inconvenientes. Generalmente los suelos gravo-arenosos A-1 y A-2 con un 10 a 35% de limo y arcilla y 55% o más pasante el tamiz # 4 son los mas adecuados y requieren menos cantidad ce cemento para una adecuada estabilización. Los suelos arenosos A-3, de grano uniforme y poco contenido de finos, como son las arenas de médano o playa, dan también excelentes resultados al ser mezclados con cemento, pero requieren un mayor tenor de cemento. Las cantidades correctas de cemento y agua, así como la densidad y resistencia requerida, se establecen a través de los métodos de diseño de mezclas, y que siguen los criterios de la PCA o de la AASHTO. Cada método de diseño de mezclas está asociado con el correspondiente método de diseño de pavimentos, es decir, si se diseña la mezcla por la PCA el diseño de pavimentos debe hacerse siguiendo el método __________________________________________________________________________ 5-3


de la PCA, y si la mezcla se diseña según el criterio de la AASHTO, el pavimento debe dimensionarse siguiendo las pautas establecidas en este método. Método General de Dosificación según la PCA Este método fue desarrollado por la Portland Cement Association (PCA) y contempla las siguientes etapas: I. Identificación y clasificación del suelo. II. Selección del porcentaje de cemento para el ensayo de compactación. III. Ejecución del ensayo de compactación del suelo-cemento. IV. Selección d los porcentajes de cemento para los ensayos de durabilidad y de resistencia a la compresión. V. Moldeado de las briquetas para los ensayos de durabilidad y resistencia a la compresión. VI. Ejecución del ensayo de durabilidad por mojado y secado. VII. Ejecución del ensayo de durabilidad por congelación y deshielo. VIII. Ejecución del ensayo a compresión. IX. Selección del porcentaje de cemento adecuado, en función de los resultados en los ensayos. Método Simplificado de Dosificación según la PCA La dosificación del suelo-cemento, de acuerdo con la marcha de los ensayos del "Método General de Dosificación" presenta una desventaja práctica: el tiempo de duración de los ensayos, principalmente los de durabilidad, lo cual toma mas de 48 días. Esto dio lugar a que se correlacionasen los resultados de estos ensayos con otro de más rápida ejecución, facilitando así la determinación del porcentaje de cemento. En 1952 la PCA, basada en la correlación obtenida en los resultados de los ensayos de 2.438 suelos arenosos, presentó un método simplificado para la dosificación del suelocemento. El fundamento de este método, comprobado por los ensayos realizados, puede ser resumido en el siguiente principio: "Un suelo arenoso con determinada granulometría y densidad aparente máxima, requerirá, de acuerdo con el criterio de pérdida de peso en los ensayos de durabilidad, el mismo porcentaje de cemento que otro suelo que, teniendo la misma granulometría y la misma densidad aparente máxima, presente una resistencia a la compresión a los siete días superior a un valor pre-establecido".

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I. Descripción del método El análisis granulométrico del suelo determinará si es aplicable el Método Simplificado. Es condición necesaria que: (a) el suelo posea menos del 50% de material con diámetro inferior de 0,05 mm (limo más arcilla) (b) El suelo posea meno del 20% con diámetro inferior de 0,005 mm (arcilla) (c) La fracción retenida en el tamiz # 4, por otra parte, debe arrojar un valor de Gravedad Específica Aparente (Gsa) mayor de 2.45. Verificado ésto, el suelo será ensayado por el Método "A" dado el caso que el 100% del material pase el tamíz Nº4, o por el Método "B" si posee retenido en el tamíz Nº4. En resumen el Método Simplificado consta de: I. Ensayos preliminares del suelo II. Ensayo de compactación del suelo-cemento III. Determinación del porcentaje de cemento por medio de ábacos. IV. Verificación del porcentaje de cemento por el ensayo de resistencia a compresión. I. Ensayos Preliminares 1. Análisis granulométrico y selección del Método A o B en función de los resultados. 2. Determinación de la absorción y de la gravedad específica aparente de los granos retenidos en el tamíz Nº4. Si este valor es menor de 2,45 en suelos granulares, no puede utilizarse el método. Descripción Método A (Empleado en materiales con 100% pasa Nº4) Ejemplo 1: Se realizan los ensayos granulométricos al suelo, con los resultados siguientes: Tamiz Nº 4 Nº 60 0,05 mm 0,005

% que pasa 100 72 39 16

% retenido 0 28 61 84

1. Se estima la densidad máxima (llamada por esto “densidad aparente máxima) de la mezcla por medio de la Figura 1, en función de los porcentajes de limo más arcilla, (partículas con diámetro inferior a 0,05 mm) y de grava más arena gruesa (material entre el tamíz Nº 4 y el Nº 60).

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Figura 1: Densidad aparente máxima estimada (Método A)

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En el ejemplo: partículas con diámetro inferior a 0,05 mm = 39% grava más arena gruesa (material entre el tamíz Nº 4 y el Nº 60) = 28% De la Figura 1 se estima una densidad aparente máxima de 1.880 kg/m3 2. Se estima el porcentaje de cemento por medio de la Figura 2, en función del porcentaje de limo más arcilla (39% en el ejemplo) y de la densidad máxima obtenida por la Figura 1 (1.880 kg/m3 en el ejemplo) De la Figura 2 se estima una cantidad de cemento del 8% en peso de suelo

Figura 2: Porcentaje estimado de cemento, en peso. Método A

3. Con el porcentaje de cemento seleccionado (8% en el ejemplo) añadido al suelo, se ejecuta el ensayo de compactación (AASHTO Estándar). De este ensayo se obtendrá la densidad máxima seca de la mezcla de suelo con el cemento, y su correspondiente humedad óptima.

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Figura 3: Resultado del ensayo de compactación de la muestra con el 8% de cemento

En el Ejemplo 1 la densidad máxima seca real de compactación del suelo mezclado con el 8% de cemento es de 1920 kg/m3 (Figura 3 en el ejemplo) y su humedad óptima es del 6.1% (en el ejemplo) 4. Con el valor de densidad máxima —obtenido del ensayo de compactación— se verifica, mediante la Figura 2, si el porcentaje de cemento correspondiente en función de esa nueva densidad y el porcentaje de limo más arcilla se mantiene igual al estimado en el Paso 2, o ha variado. Si se mantiene igual, lo cual es el caso común en base a la extensa base de ensayos sobre el cual se desarrolló el método, se continúa con el Paso 5. En caso contrario debe ejecutarse un nuevo ensayo de densidad-humedad con el nuevo porcentaje de cemento y verificar este nuevo porcentaje con el determinado nuevamente mediante la Figura 2. En el Ejemplo 1 se mantiene el mismo 8% de contenido de cemento 5. Se Preparan 3 briquetas de ensayo, cada una con el porcentaje de cemento obtenido en el Punto 4 y con el porcentaje de humedad óptima obtenido en el Punto 3. Se determina la resistencia a la compresión simple de las briquetas de ensayo después de 7 días de curado en la cámara húmeda a 21°C y luego de sumergirlas en agua, a temperatura ambiente, durante un lapso de cuatro (4) horas. (En caso de no disponerse de cámara húmeda, las briquetas se envuelven en una bolsa plástica cerrada herméticamente, y se sumergen en agua) o se colocan en una trampa de arena que se mantiene humedecida durante los 7 días.

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En el Ejemplo 1, se supone que las resistencias obtenidas son: Briqueta Resistencia (kg/cm2) 1 27 2 30 3 28 Promedio 28,3 6. Se verifica, mediante la Figura 4, en función del porcentaje de limo más arcilla del suelo (39% en el ejemplo), la mínima resistencia a compresión que debe presentar la mezcla. En el Ejemplo 1 la resistencia mínima del promedio de las 3 briquetas debe ser igual o mayor a 20 kg/cm2. Cómo el resultado de laboratorio fue de 28.3 kg(cm2, se da por concluido el ensayo y se adopta el % de cemento que ha arrojado el método.

Figura 4: Resistencia mínima a la compresión, a los 7 días. Método A.

7. Si por el contrario, la resistencia obtenida es inferior a la indicada por la Figura 4, el porcentaje de cemento es muy bajo. Son entonces necesarios nuevos ensayos: se moldean dos nuevas briquetas de ensayo, una con el porcentaje indicado en el Punto 4 y la otro con un aumento de 2 puntos de cemento. Estas briquetas de ensayo son sometidas al ensayo de "Durabilidad por Congelación y Deshielo", y las pérdidas de peso por ellas sufridas permitirán determinar el porcentaje de cemento adecuado, todo de acuerdo al procedimiento anteriormente para el Método General de Dosificación.

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Descripción del Método "B" (Cuando el Material presenta Retenido en el tamiz Nº 4) El procedimento es exactamente igual al método A, pero utilizando sucesivamente las Figuras 5, 6 y 8, teniendo en cuenta que en este caso se entiende por "piedra más grava" a todo material retenido en el tamiz Nº10 y "piedra" al material retenido en el tamíz Nº 4. Ejemplo 2: Se realizan los ensayos granulométricos al suelo, con los resultados siguientes: Tamiz 3/4" Nº 4 Nº 10 0,05 mm 0,005

% que pasa 100 82 79 32 13

%retenido 0 18 21 68 87

1. Se estima la densidad máxima de la mezcla por medio de la Figura 5, en función de los porcentajes de limo más arcilla, (partículas con diámetro inferior a 0,05 mm) y de piedra más grava (material retenido en el tamíz Nº 10). En el Ejemplo 2: limo más arcilla, (partículas con diámetro inferior a 0,05 mm = 32% piedra más grava (material retenido en el tamíz Nº 10 = 21% En el Ejemplo 2, de acuerdo a lo indicado en la Figura 5, este valor de densidad máxima aparente es de 1.950 kg/m3.

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Figura 5: Densidad aparente máxima estimada (Método B)

2. Se estima el porcentaje de cemento por medio de la Figura 6, en función del porcentaje de limo más arcilla, del % de material retenido en el tamiz Nº 4 (piedra), y de la densidad máxima obtenida por la Figura 5.

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En el Ejemplo 2, a partir de la información anterior resulta un contenido de cemento estimado en un 6% (% en peso).

Figura 6: Porcentaje estimado de cemento, en peso. Método B

3. Con el porcentaje de cemento seleccionado en el paso anterior (6% en el ejemplo) se efectúa el ensayo de compactación (AASHTO Estándar)de la mezcla de suelo-cemento. De este ensayo se obtendrá la densidad máxima seca de la mezcla, y su correspondiente humedad óptima. (Figura 7)

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Figura 7: Ensayo de densidad-humedad con el 6% de cemento

En el Ejemplo 2 la densidad máxima seca real de compactación del suelo mezclado con el 6% de cemento es de 1.980 kg/m3 y su humedad óptima es de 4.9% (en el ejemplo) 4. Con el valor de densidad máxima —obtenido del ensayo de compactación— se verifica, mediante la Figura 6, si el porcentaje de cemento correspondiente en función de esa nueva densidad y el porcentaje de limo más arcilla se mantiene igual al estimado en el Paso 2, o ha variado. Si se mantiene igual, lo cual es el caso común en base a la extensa base de ensayos sobre el cual se desarrolló el método, se continúa con el Paso 5. En caso contrario debe ejecutarse un nuevo ensayo de densidad-humedad con el nuevo porcentaje de cemento y verificar este nuevo porcentaje con el determinado nuevamente mediante la Figura 6. En el Ejemplo 2 se mantiene el mismo 6% de contenido de cemento 5. Se preparan 3 briquetas de ensayo, cada una con el porcentaje de cemento obtenido en el Punto 4 y con el porcentaje de humedad óptima obtenido en el Punto 3. Se determina la resistencia a compresión simple sin confinar de las briquetas de ensayo después de 7 días de curado en la cámara húmeda a 21°C. Al terminar los 7 días las briquetas se sumergen en agua a temperatura ambiente durante cuatro (4) horas antes de romperlas. (En caso de no disponerse de cámara húmeda, las briquetas se envuelven en una bolsa plástica cerrada herméticamente, y se sumergen en agua) o se colocan en una trampa de arena que se mantiene humedecida durante los 7 días.

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En el Ejemplo 2 se supone que las resistencias obtenidas son: Briqueta Resistencia (kg/cm2) 1 46 2 45 3 45 Promedio 45,3 6. Se verifica, mediante la Figura 8, en función del porcentaje de limo más arcilla y del porcentaje de piedra del suelo, la mínima resistencia a compresión que debe presentar la mezcla. En el Ejemplo 2 la resistencia mínima del promedio de las 3 briquetas debe ser igual o mayor a 19,4 kg/cm2. 7. Si la media de la resistencia obtenida en el Punto 5 fuese superior a esta mínima, el porcentaje de cemento obtenido en el Punto 4, será adoptado como el que se empleará en obra.

Figura 8: Resistencia mínima a la compresión, a los 7 días. Método B.

En el Ejemplo 2 la media de la resistencia obtenida en las 3 briquetas (45,3 kg/cm2) es mayor a 19,4 Kg/cm2 (obtenido de la Figura.8), por lo tanto el contenido de cemento del 6% es correcto 8. Si por el contrario, la resistencia obtenida es inferior a la indicada por la Figura 4.8, el __________________________________________________________________________ 5-14


porcentaje de cemento es muy bajo, siendo entonces necesarios nuevos ensayos: se moldean dos nuevas briquetas de ensayo, una con el porcentaje indicado en el Punto 4 y la otro con un aumento de 2 puntos de cemento. Estas briquetas de ensayo son sometidas al ensayo de "Durabilidad por Congelación y Deshielo", y las pérdidas de peso por ellas sufridas permitirán determinar el porcentaje de cemento adecuado.

Nota: Es importante destacar que las resistencias obtenidas mediante este procedimiento simplificado (Métodos A & B) muy rara vez resultan en resistencias menores a las exigidas en las Figuras 4 y 8, según sea el caso, debido a la extensiva correlación empleada en el desarrollo de este método. Por esta razón, y en caso de no disponer de equipos para realizar ensayos de comprensión simple, los valores de contenido de cemento obtenidos directamente de los gráficos son suficientemente confiables para la preparación de las mezclas en campo.

Método de dosificación por la AASHTO Si la mezcla de suelocemento va a ser utilizada en un diseño estructural siguiendo el criterio de la AASHTO, se recomienda entonces que el diseño de la mezcla en laboratorio, a fin de determinar su resistencia a la compresión simple, se haga de acuerdo al criterio de la AASHTO, el cual difiere del criterio de la PCA. La mezcla diseñada por AASHTO se ejecuta normalmente aplicando la energía de compactación modificada, y simplemente el diseño se ejecuta sobre mezclas con diferentes contenidos de cemento, sometidas a la compresión simple después de 7 días y cuatro horas de curado, y se selecciona el contenido de cemento que arroje una resistencia acorde con la que el proyectista exigirá en su diseño estructural. Es frecuente, en nuestro país, seleccionar resistencias de suelo-cemento entre 25 y 40 kg/cm2, con el fin de reducir los espesores de mezcla asfáltica a ser construida sobre esta capa de suelo estabilizado. Este es el método que más se emplea en Venezuela para diseñar mezclas de suelocemento y, a partir del año 2005, momento en que se inicia la rehabilitación de pavimentos asfálticos deteriorados con el procedimiento de pulverización del espesor existente de la mezcla asfáltica, conjuntamente con el material virgen por debajo de esta capa, en un espesor aproximado de dos (2) veces el espesor de asfalto —conocido como mezclas REPACE—. Estas mezclas se diseñan con espesores mínimos de 20 cm y espesores máximos de 35 cm, y las resistencias de diseño han variado desde un mínimo de 25 kg/cm2 hasta un máximo de 45 kg/cm2, aun cuando existe una tendencia a que la resistencia máxima no supere los 35 kg/cm2, con el fin de minimizar la aparición de las grietas de reflexión.

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La siguiente figura ilustra un diseño REPACE con tres diferentes contenidos de cemento. Sí la resistencia mínima fuese de 30 kg/cm2, el contenido de cemento debería ser de un 6.2%.

Diseño inicial de la m ezcla REPACE

Resistencia a la compresión simple, 7 días (kg/cm2)

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 4

5

6

7

8

% de cem ento en peso de m ezcla

Diseño aproximado cuando no se pueden ejecutar ningún tipo de ensayos Método basado en la clasificación de los materiales El método de diseño más sencillo que puede utilizarse es aquél que se fundamenta en los ensayos más elementales: granulometría por tamizado y límites de Atterberg. Ambos tipos de ensayo permiten clasificar el material en un grupo determinado y, en función del grupo se estima un porcentaje de cemento, tal como se indica en la Tabla 1.

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Tabla 1 Valores aproximados de contenido de cemento, para diseños de suelo-cemento (No para mezclas REPACE), en función del tipo de suelo, según la Clasificación de la AASHTO Clasificación AASHTO (HRB)

Clasificación ASTM

A-1-a

GW, GP, GM, SW, SP, SM GM, GP, SM, SP GM, GC, SM, SC SP CL, ML ML, MH, CH CL, CH MH, CH

A-1-b A-2 A-3 A-4 A-5 A-6 A-7

Contenido de cemento (% en peso) 3-5 5-8 5-9 7 - 11 7 - 12 8 - 13 9 - 15 10 - 16

Nota: la tabla anterior está tomada del Método General de Dosificación de la PCA y sus valores corresponden a los sugeridos para la ejecución de los ensayos de durabilidad.

• Requisitos mínimos que deben satisfacer las mezclas de suelo-cemento, de acuerdo a las normas venezolanas. La norma COVENIN 2000-80, en su Capítulo 11-8, establecen los requisitos de calidad que deben satisfacer las mezclas de suelo-cemento, y las cuales se han resumido en la Tabla VII. Tabla 1 Normas venezolanas (COVENIN 2000-86) para mezclas de suelo-cemento Norma 11-8 Resistencia a la compresión Resistencia a la compresión a los 7 días de Mínimo 15 kg/cm2 para tráfico liviano o curado de las briquetas mediano Mínimo 28 kg/cm2 para tráfico pesado Resistencia a la compresión de las briquetas después de 7 días de curado y 7 Mayor o igual al 80% de la resistencia de días de inmersión las briquetas después de 14 días de (Resistencia retenida) curado Ensayos de durabilidad Tipo de material Pérdida de peso después de 12 ciclos A-1; 1-2-4; A-2-5; A3 Menor o igual a 14% A-2-6; A-2-7; A-4; A-5 Menor o igual a 10% A-6; A-7 Menor o igual a 7% Variación del volumen Menor o igual a 2% Contenido de cemento Mayor o igual al 5% en peso

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Construcción de mezclas de Suelo-Cemento La ejecución de mezclas de suelocemento puede dividirse en dos etapas fundamentales que son: la preparación previa de la superficie de la vía y la construcción en sí del suelocemento, independientemente del método de preparación de la mezcla del suelo, el cemento y el agua. Preparación previa La preparación de la vía varía si el suelocemento se va a mezclar con el material existente en la calzada (mezcla sobre la vía), o con la mezcla transportada (mezcla en planta). En el primer caso habrá que controlar el perfil de la vía tanto longitudinal como transversalmente, completando la rasante donde sea necesario. En el segundo caso, es decir, cuando se usa y transporta mezcla ya preparada, la sub-rasante deberá estar compactada y nivelada de acuerdo con las especificaciones de la obra. Pulverización Los suelos que van a ser estabilizados con cemento deben ser pulverizados previamente para lograr un buen mezclado con el cemento. Los suelos arenosos son fácilmente pulverizables mientras que los suelos arcillosos son más difíciles, especialmente cuando están muy secos o muy húmedos. La humedad del suelo es un factor muy importante en esta operación. Algunos suelos que en estado seco son difíciles de pulverizar, en estado húmedo se pulverizan fácilmente y por el contrario algunos suelos lo hacen más fácilmente cuando están secos. Las especificaciones exigen que el suelo sea pulverizado de tal forma que, en el momento de iniciar la compactación, el 100% de la mezcla de suelocemento pase por el tamíz de 1 pulgada (25 mm) y al menos un 80% pase por el tamíz Nº 4 (4.74 mm). En estos cálculos no se tomará en cuenta el agregado pétreo, o sea, que lo requerido es que no haya más de un 20% de terrones de suelo mayores que el tamíz Nº 4 y que además estos terrones no tengan un tamaño mayor de una pulgada. LOS SUELOS ARCILLOSOS NO DEBEN SER MEZCLADOS EN PLANTA, YA QUE ES PRÁCTICAMENTE IMPOSIBLE ALCANZAR LA PULVERIZACIÓN EXIGIDA. Suministro del Cemento El cemento puede ser suministrado en dos formas: a granel o en sacos. MEZCLAS SOBRE LA VÍA • Suministro a granel para mezcla sobre la vía: el camión transportador puede descargarse en un silo de almacenamiento en la obra, pero lo común es que los camiones se descargen directamente en el sitio de trabajo. A estos camiones se les acopla un distribuidor mecánico que regula el flujo del cemento uniformemente a lo ancho de la franja de mezclado.

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Verificación de la cantidad de cemento aplicada a granel

Los distribuidores de cemento pueden ser de dos tipos: uno de ellos es el que esparce el cemento en un ancho uniforme que puede variar de 1.8 m, a 3 m, y el otro tipo deposita el cemento en la parte superior de un camellón. • Suministro en sacos para mezcla sobre la vía Cuando el cemento es suministrado en sacos debe ser colocado en el sitio en forma manual. En este caso los sacos deben colocarse sobre la vía a una distancia exacta de tal forma que la proporción a emplear sea la requerida por el diseño. El cemento es posteriormente distribuido uniformemente sobre la superficie, a lo ancho y largo de la sección transversal, mediante el empleo de haraganes o de rastrillos.

Extendido del cemento distribuido en sacos

Humedad de mezclado En los suelos arenosos el contenido de humedad para mezclarlo es generalmente igual, o ligeramente inferior al óptimo para compactación, mientras en los suelos arcillosos la humedad deberá ser ligeramente superior al óptimo. Si el suelo está muy húmedo generalmente será necesario airearlo para secarlo antes de distribuir el cemento. __________________________________________________________________________ 5-19


Construcción del suelocemento Las operaciones en la construcción del suelocemento dependen del equipo o sistema de mezclado utilizado: sobre la vía o en planta. • Construcción con mezcladoras sobre la vía Este procedimiento es el mas generalizado en Venezuela, ya que los equipos empleados son los que dispone cualquier contratista de carreteras. Adicionalmente es conveniente, y generalmente es la opción preferida, la utilización de máquinas pulverizadoras o “estabilizadoras de suelos”. •• Con mezcladoras de una sola pasada. Esta modalidad fue empleada en los años 60-70, mediante el empleo de una máquina con 4 rotores. La nueva generación de estos equipos, que son los que se emplean hoy en día, de mucha mayor potencia que los anteriores, permiten la operación de mezclado en una sola, o no más de dos pasadas del equipo. Generalmente, al menos en Venezuela, el suelo a ser estabilizado se obtiene de un préstamo cercano y es transportado y extendido sobre la sub-rasante con el empleo de camiones o máquinas para el movimiento de tierras (mototraíllas).

Pulverizadora de una sola pasada (modelo de primera generación)

Pulverizadora de una sola pasada (modelo de nueva generación)

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A. Preparación de la superficie A.1 Conformar la superficie de la subrasante sobre la que será extendida el suelo a ser estabilizado. A.2 Transportar el material de préstamo y extenderlo a lo largo y ancho de la sección de trabajo. A.3 Es muy importante recordar la relación de esponjamiento entre suelo suelto y compactado, de modo de que la cantidad de material extendido logre el espesor de proyecto una vez compactado. A.4 Precompactar el material de préstamo para permitir el paso de los equipos de distribución del cemento y de mezclado y pulverización del suelo. B. Construcción del Suelocemento 1. Distribución del cemento La distribución del cemento será a granel, o en sacos, dependiendo de la disponibilidad de equipos. Es preferible, con el fin de alcanzar rendimientos adecuados al equipo de mezclado, el empleo de distribuidores de cemento. 2. Adición del agua, pulverización y mezclado El agua de compactación y de hidratación del cemento puede ser añadida por medio de camiones cisterna. Los nuevos equipos de mezclado disponen de bombas de agua acopladas al sistema de propulsión de las máquinas, permitiendo así una dosificación sencilla, práctica y muy segura. En los suelos muy granulares el humedecimiento previo facilita la adhesión del cemento a las partículas de grava y arena y evita que el material tienda a acumularse en la parte inferior de la mezcladora. La Mezcla del suelo con el cementoen suelos arenosos es más fácil cuando el contenido de humedad está uno ó dos puntos por debajo del óptimo, aunque suelos muy arenosos o limosos y arcillosos pueden mezclarse con uno ó dos puntos por encima. La mayoría de mezcladoras poseen un rotor pulverizador de alta velocidad que por lo general hace innecesaria la pulverización previa del suelo, requiriéndose únicamente la conformación del sitio. Sin embargo puede darse el caso en suelos duros que se requiera escarificar y humedecer el suelo previamente para lograr su pulverización.

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Dos modelos diferentes de puntas del tambor pulverizador

El material mezclado queda extendido sobre la vía, listo para su compactación, con la cantidad de cemento y agua que son requeridos para lograr una buena mezcla de suelocemento.

Apariencia de la mezcla después del paso del equipo pulverizador

3. Compactación Las mezclas de suelo cemento, de acuerdo a la práctica en Venezuela, deben ser compactadas al 95% de la densidad del Proctor Modificado (AASHTO T180). La densidad de comparación debe ser realizada en muestras representativas de la mezcla tomadas en la vía cuando se vaya a iniciar la compactación. En caso de que el material tenga agregados granulares superiores a ¾” de pulgada deberá reemplazarse su peso por uno equivalente del mismo material comprendido los tamices ¾” y # 4. La humedad de la mezcla al iniciar la compactación debe ser generalmente superior a la óptima para prevenir la pérdida de humedad por evaporación. En caso de que haya pérdidas deberá reponerse la humedad con riegos ligeros de agua. El equipo de distribución de agua deberá estar en perfecto estado y ser capaz de distribuir el agua uniformemente sobre la superficie. __________________________________________________________________________ 5-22


El equipo de compactación depende del material empleado. El tipo más común es la "pata de cabra” si el material es arcilloso; sin embargo, pueden utilizarse aplanadoras de rodillos metálicos, compactadoras de neumáticos o vibratorias; estos equipos dan muy buenos resultados en suelos granulares no plásticos. Hoy en día se emplean muy comúnmente las vibrocompactadoras.

Compactadora vibratoria autopropulsada

El espesor máximo que se puede compactar en una sola capa depende del equipo empleado, pero generalmente se limita a un máximo de 30 cm. Cuando se emplean patas de cabra el suelo cemento deberá estar suelto para que éstas penetren en todo el espesor de la capa; cuando no haya una buena penetración el suelo deberá ser aflojado con un arado, escarificador, pulverizadora rotativa o rastra. La compactación final de los suelos por lo general se termina empleando aplanadoras livianas de neumáticos. Las mejores compactaciones se logran cuando el suelocemento se compacta inmediatamente después de terminado el mezclado. Al procederse en esta forma las densidades se obtienen más rápidamente, hay menor evaporación de agua y el rendimiento aumenta. 4. Terminación El método de terminación depende del equipo, condiciones de la obra y características del suelo. En todo caso el propósito es el de obtener una base bien compactada, con su superficie de acuerdo con la sección transversal y pendiente longitudinal exigida en el proyecto y donde no existan "planos superficiales de compactación". Los "planos superficiales de compactación" son fajas lisas superficiales marcadas por las ruedas del equipo de compactación, cuchilla de la motoniveladora o por el equipo de compactación. Estos planos deben ser removidos porque ellos no se adhieren adecuadamente al resto de la capa, pudiendo desprenderse, aflojarse o fracturarse posteriormente. Las fajas deben __________________________________________________________________________ 5-23


ser escarificadas y humedecidas para remover el plano superficial y obtener una buena adherencia. Los planos de compactación se eliminan con una rastra de dientes o clavos, o mediante el paso de la cuchilla de la motoniveladora.

Rastra de clavos para eliminación de los planos (escamas) de compactación

5. Curado El suelo-cemento compactado y terminado debe ser protegido para evitar la pérdida por evaporación de la humedad requerida para la hidratación del cemento. El procedimiento usualmente recomendado es cubrirlo con un riego de asfalto líquido ya sea RC-250, ó una emulsión asfáltica, aún cuando también puede emplearse cualquier otro material que cumpla la misma función, tales como paja o tierra húmeda, o puede recurrirse al procedimiento de riego periódico con un camión cisterna. El empleo de un riego asfáltico ha mostrado la desventaja, al menos en Venezuela, de que se levanta posteriormente cuando los camiones con mezcla asfáltica circulan sobre su superficie. Lo común en Venezuela, sin embargo, es regar dos o tres veces al día la superficie terminada, y luego realizar el riego asfáltico. Otros ingenieros prefieren el procedimiento de aplicar el riego asfáltico inmediatamente después de terminar el proceso de compactación y acabado, precedido de un riego de agua para facilitar la penetración inicial del riego asfáltico. Cuando se vaya a emplear el riego asfáltico, debe limpiarse previamente la superficie del suelocemento, lo cual se hace por medio de una escoba mecánica, muchas veces complementado por un compresor de aire. Luego se humedece bien el suelocemento, pero de tal forma que no queden charcos o pozos de agua libre sobre la superficie. En aquellos casos en que debe mantenerse el tránsito por la vía, debe cubrirse el riego asfáltico con arena, para evitar que éste se desprenda por el paso de los vehículos. En Venezuela el procedimiento preferido, en la práctica, es el de colocar obstáculos sobre la calzada para evitar el paso de los vehículos. __________________________________________________________________________ 5-24


Se recomienda que se evite el tráfico durante los primeros siete (7) días, después de terminado el suelo-cemento, pero con un mínimo de tiempo que permita obtener al menos un 70-80% de la resistencia de diseño.

Curado con agua y posterior aplicación del riego asfáltico

Tiempos de ejecución: A continuación se presenta un resumen de los tiempos de ejecución que deben ser controlados durante la construcción de una mezcla de suelocemento: 1. Una vez agregado el cemento, la mezcla no debe permanecer imperturbada por un tiempo mayor de 30 min. 2. La adición de agua se puede realizar en cualquier momento después de agregado el cemento, pero hasta un tiempo máximo de 3 horas. 3. La compactación debe iniciarse antes de que hayan transcurrido dos (2) horas desde el momento en que se agregó el cemento al suelo. 4. Las operaciones de mezclado, incorporación de agua adicional, compactación y acabado, deben ser ejecutadas dentro de un lapso máximo de seis (6) horas después de añadido el cemento.

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•• con mezcladoras de múltiples pasadas. Estos equipos fueron empleados a inicios de los años 60, y su diseño corresponde a la “primera generación” de la construcción de suelocemento. El proceso es similar al caso de mezcladoras de una sola pasada, pero generalmente se requiere la escarificación previa del suelo, y en algunos casos pulverizado previo porque el equipo por lo general no está diseñado para escarificar. Comúnmente el suelo se humedece durante la escarificación y pulverización para facilitar las operaciones subsiguientes. Una vez escarificado, pulverizado y humedecido uniformemente el suelo se conforma transversal y longitudinalmente y se procede a extender el cemento. En caso de que el equipo distribuidor de cemento produzca compactación del suelo que dificulte el trabajo de la mezcladora, deberá escarificarse el material con los dientes de una motoniveladora, teniendo cuidado que no se produzca desplazamiento del cemento. De inmediato se procede al primer mezclado del suelo con el cemento, luego se añade más agua y se continúa mezclando hasta lograr una mezcla uniforme a la humedad deseada. Terminado éste, el material está listo para la compactación, terminado y curado, y se emplean las mismas técnicas y equipos descritos anteriormente para el caso de máquinas de una sola pasada.

Pulverizadora de primera generación (múltiples pasadas)

MEZCLAS EN PLANTA CENTRAL Las plantas mezcladoras están constituidas por una unidad de almacenamiento del cemento (silo) y un sistema que permita el proporcionamiento de los agregados y el cemento. La mezcladora en sí es del tipo de paletas. La dosificación del suelo, del cemento y del agua puede hacerse en volumen o en peso. Las plantas centrales se emplean en obras donde se utilicen materiales procedentes de sitios definidos y que no tengan una gran distancia de transporte. Cuando se emplean suelos plásticos no se recomienda el empleo de plantas centrales, __________________________________________________________________________ 5-26


a menos de que el material sea previamente pulverizado.

Planta fija de mezclado

A continuación se describen brevemente las etapas constructivas de las mezclas en planta central: • Suministro a granel para mezcla en planta El camión transportador descarga directamente en el silo de almacenamiento en la planta. El número de silos será función de la capacidad de la planta, distancia al sitio de la planta de cemento, número de camiones de transporte disponibles, etc. A. Preparación 1. Conformación de la subrasante 2. Compactación de la subrasante B. Elaboración del suelo cemento 1. mezcla del suelo cemento y agua en la planta 2. Transporte al sitio y distribución de la mezcla 3. Compactación 4. Terminación 5. Curado. Recomendaciones sobre el proceso de mezclado y compactación: ° El tiempo normal de mezclado es de 30 segundos contados a partir del momento en que todos los materiales están en la mezcladora. El tiempo puede aumentarse en caso de que se requiera para obtener una buena mezcla. ° El tiempo de transporte de la planta al sitio no debe ser mayor de 30 minutos. ° Los camiones empleados deben estar cubiertos con una lona para evitar pérdidas del agua de mezclado por evaporación. ° La descarga del material debe hacerse con distribuidoras mecánicas y es recomendable que se haga a todo lo ancho de la calzada empleando dos distribuidores desfasados. __________________________________________________________________________ 5-27


° No deberá transcurrir más de 25 minutos entre el extendido de una capa y la adyacente. Terminado la distribución del material mezclado proveniente de la planta, se continúa con las operaciones de compactación, terminado y curado; para lo cual se emplean las mismas técnicas y equipos descritos anteriormente para el caso de construcción de mezclas sobre la vía. La Junta de Construcción. Finalizado el tramo construido en el día, debe formarse una junta vertical de construcción, cortando el extremo libre del suelocemento terminado. Esta es la última operación que se realiza el día de la construcción, o la primera del día siguiente. El material que queda a continuación de la junta se prepara para ser utilizado en el próximo día de trabajo. Una vez mezclado este material, se limpia la junta si es necesario. El material mezclado y humedecido se lleva con la motoniveladora a la zona de la junta. El material allí colocado se compacta totalmente. En esta etapa de la construcción la junta se deja ligeramente alta; durante la compactación final se enrasa la junta con la motoniveladora y se vuelve a compactar. Cuando el curado se efectúa empleando un material asfáltico, éste se aplica exactamente hata la junta y se distribuye arena en sus cercanías para evitar que se levante por efecto del tránsito. Las juntas longitudinales entre franjas adyacentes deben ser perfectamente perpendiculares; generalmente su ejecución se elimina construyendo todo el ancho de sección simultáneamente, sin embargo en algunos casos, o cuando se trata de superficies muy grandes como en aeropuertos, puede transcurrir un tiempo más o menos largo entre la ejecución de una franja y la adyacente. Cuando las juntas longitudinales se hacen en suelocemento parcialmente endurecido, el material próximo a la junta es pulverizado con el equipo mezclador. Cuando las juntas se hacen en un suelocemento ya endurecido la junta se corta con las motoniveladoras para lograr una superficie vertical, pero en caso de que esto perturbe o deteriore el suelocemento construido, deberá suspenderse el procedimiento y removerse por otros medios, tales como sierra mecánica o cortadas a mano con picos. El material extraído deberá ser desechado. En todo caso deberá cuidarse que el alineamiento de la junta sea lo más perfecto posible. Con las máquinas pulverizadoras de la nueva generación, la construcción de la junta se simplifica ya que solo es necesario que la máquina solape un ancho de aproximadamente 5 cm sobre la franja anterior. Al paso de la máquina sobre el sobre ancho y sobre la nueva franja, se genera automáticamente una junta longitudinal perfecta.

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Construcción en varias capas. Cuando el espesor fijado para la base excede del que puede ser perfectamente mezclado, humedecido y compactado en una sola operación con el equipo disponible (generalmente hasta un máximo de 30/35 cms) el suelocemento debe construirse en varias capas. Se recomienda, por otra parte, que por razones constructivas, el espesor mínimo de una capa no sea menor de 15 cm. Inspección y Control de Calidad en las obras con suelo-cemento El control de calidad es una etapa fundamental como parte del proceso total del suelocemento, con el fin de garantizar que el producto final sea adecuado para el uso para el cual ha sido propuesto. El control de calidad de campo comprende la verificación de los siguientes factores: 1. Verificación de la nivelación de la vía y remoción de las zonas blandas que existan en la subrasante. 2. Clasificación de los suelos empleados para verificar que ellos coinciden con los de proyecto y para determinar la cantidad de cemento necesario. 3. Pulverización adecuada y granulometría del material en el momento de su uso final. 4. Cantidad del cemento aplicado. 5. Humedad correcta de la mezcla. 6. Control de la uniformidad de la mezcla 7. Determinación del grado de compactación 8. Espesor de la mezcla compactada y tolerancias de acabado de superficie 9. Curado. Los dos primeros puntos ya son suficientemente conocidos; en cuanto al grado de pulverización, en el caso de mezclado sobre la vía, es conveniente señalar los siguientes comentarios: • La mayoría de los suelos requiere solo un mínimo de pulverización antes de iniciar el proceso del mezclado del suelo con el cemento. Las arcillas muy plásticas, por el contrario, requieren un trabajo bien considerable de pulverización. El secreto de la pulverización de suelos arcillosos son: contenido correcto de agua y equipo adecuado. Estos suelos deben ser procesados sobre la vía ya que no logran ser bien pulverizados cuando se trabajan en planta central. • Las especificaciones convencionalmente establecen que, al terminar el mezclado húmedo, el 80% de la mezcla de suelo-cemento pase el tamiz Nº 4 y que el 100% pase el tamiz de una pulgada, exclusive de los fragmentos de grava o piedra que sean retenidos en estos tamices. • El ensayo de pulverización consiste en tamizar una muestra representativa de la mezcla sobre un tamiz Nº 4. Cualquier fragmento de grava o piedra deben haber sido previamente separados de la muestra. Los terrones o grumos de arcilla y la mezcla __________________________________________________________________________ 5-29


pulverizada se pesan separadamente y se les determina su peso seco. El grado de pulverización (Gp) se define por la siguiente relación:

Gp =

Peso seco de la mezcla pasante el tamiz Nº –––––––––––––––––––––––––––––––––––––– * 100 Peso seco de la muestra total exclusive de los fragmentos de grava y/o piedra

• En muchos casos, por razones de rapidez en la obtención del valor de Gp se emplean los pesos húmedos en vez de los pesos secos. Este resultado es de suficiente precisión como para que se tomen, en caso de ser necesarias, las medidas correctivas que sean procedentes.

Ejecución en campo de un ensayo de grado de pulverización

• Entre las posibles medidas para mejorar el grado de pulverización se tienen: a. Disminuir la velocidad de desplazamiento del equipo de mezclado b. Aumentar el número de pases del equipo de mezclado c. Reemplazar los dientes desgastados de la cámarade mezclado d. Prehumedecer y/o premezclar el suelo antes de la incorporación del cemento e. Incorporar un porcentaje bajo de cal (1 a 2%) para reducir la plasticidad de arcillas muy pesadas, con el fin de mejorar su trabajabilidad • Debe tomarse en cuenta que suelos muy húmedos son difíciles de mezclar con cemento. El contenido de humedad en el momento de aplicación del cemento debe ser igual, o muy cercano, a la humedad óptima. Cualquier exceso de agua debe ser eliminada mediante pulverización previa y secado al aire, y en casos muy extremos, por la adición de cal. Cantidad de cemento aplicado a. Mezcla sobre la vía El cemento se aplica, en las mayoría de los casos, directamente a granel desde el mismo camión cisterna que lo transporta desde la fábrica de cemento. Es necesario verificar que la cantidad aplicada sea la correcta, lo cual se logra mediante el proceso combinado siguiente: a.1 Control puntual __________________________________________________________________________ 5-30


Colocar una lona de superficie conocida—generalmente de un metro cuadrado— delante del distribuidor del cemento. Después de esparcido el cemento se levanta la lona cuidadosamente para evitar pérdida del material y se pesa el material retenido en la lona. Este valor se compara con el calculado para el momento de la aplicación. La siguiente figura ilustra este procedimiento.

Paso del camión cisterna sobre sitio donde se ha colocado una lona para tomar la muestra

Recuperación de la lona con el cemento descargada sobre ella, para su posterior pesado y comparación del peso recuperado con la cantidad de diseño por m2.

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a.2 Control global Se mide la distancia o área total sobre la cual se aplica la carga del camión cisterna. Como se conoce el peso total de cemento que transporta la cisterna, se compara el peso realmente colocado por unidad de área con el teórico correspondiente a la carga del camión b. Mezcla en planta central Cuando se emplea planta central es necesario que la dosificación del cemento se verifique antes de que éste entre en la cámara de mezclado. b.1 Plantas por peso Las cantidades correctas de suelo, cemento y agua para cada bache se determinan en el momento de ser pesadas en la balanza, antes de ser descargadas al mezclador. La garantía de que la cantidad pesada sea la correcta se logra a través de procesos de calibración de las balanzas y por la supervisión de que el pesador hace su trabajo correctamente. En las plantas mas modernas el proceso de pesado esta controlado automáticamente. b.2 Plantas continuas Estas plantas de dosificación por volumen pueden ser controladas por uno de los siguientes procedimientos • La planta se pone en operación alimentando solo el suelo hacia la correa transportadora. La planta se detiene y se determina el peso seco del suelo en una longitud cualquiera de la correa. Luego se pone en operación la planta pero alimentando solo cemento sobre la correa y se determina igualmente el peso del cemento por unidad de longitud. El alimentador del cemento se ajusta hasta que la cantidad alimentada coincida con la de diseño. Puede ser necesario el calibrar la planta a varias velocidades de operación. Normalmente la calibración se hace diariamente, durante varios días seguidos, al comenzar un trabajo, y luego se hace solo periódicamente con el fin de verificar que no se ha desajustado la calibración. • El otro procedimiento, quizá un poco más trabajoso, consiste en alimentar el suelo través de la planta durante un lapso determinado; el suelo se descarga directamente sobre un camión y se determina el peso por unidad de tiempo. Simultáneamente el cemento se descarga directamente del alimentador hacia otro camión, o hacia cualquier recipiente adecuado, y se pesa. La comparación de ambos pesos indicará si la proporción de cemento es la adecuada. En caso de no serlo, se varía la velocidad de alimentación del cemento hasta que se logre alcanzar la dosificación deseada. Humedad de la mezcla La cantidad correcta de agua es fundamental para lograr la adecuada compactación de la mezcla y para alcanzar el grado de hidratación requerida para desarrollar su resistencia. La cantidad de agua que se incorpora a la mezcla es normalmente igual al contenido óptimo, determinado por el ensayo Proctor, más un dos (2) por ciento, con el fin de compensar las pérdidas por evaporación y por la hidratación del cemento seco. La Humedad de las mezclas en campo puede determinarse con métodos rápidos de __________________________________________________________________________ 5-32


secado como con una cocinilla o quemando la mezcla con alcohol. Se puede tener una idea del grado de humedad tomando un puñado de la mezcla y aprisionándolo con la mano para formar un terrón. Si la humedad está por encima de la óptima al comprimir el material este deja agua en exceso en las manos. Cuando está muy seca se desmenuzan no pudiendo moldearse. Cuando la humedad es cercana a la óptima se moldea el terrón y al partirlo en dos partes con muy poco, o ningun grado de desmenuzado.

Cocinilla de campo para determinación del contenido de humedad

A lo largo de los procesos de compactación y terminación de la superficie puede ocurrir que la mezcla se vuelva seca, tal como lo evidencia por que la superficie se torna de un color grisáceo. Si esto llega a ocurrir, se debe aplicar un riego muy ligero de agua mediante un camión cisterna equipado con flauta. La mejor evidencia de que el suelo cemento compactado ha logrado su humedad correcta es la de que su superficie está libre de polvo libre, no presenta grietas, y su apariencia es suave, húmeda y densa. Control de la uniformidad de la mezcla Previo a la compactación deberá verificarse que se logrado una mezcla uniforme de suelo pulverizado, cemento y agua. Este un requisito indispensable para conseguir un suelo-cemento de alta calidad. a. Mezclas sobre la vía La uniformidad se verifica visualmente, excavando zanjas o una serie de huecos a intervalos regulares. La profundidad de la zanja o huecos debe alcanzar el espesor total de la mezcla extendida. Se observa entonces el color de la mezcla. Cuando ésta es de un mismo color y textura desde el tope al fondo, la mezcla es uniforme. Una mezcla con vetas indica que no se ha logrado el mezclado deseado. El control del espesor de la mezcla suelta se hace simultáneamente con la determinación de su uniformidad. Al terminar el proceso de compactación se puede hacer una determinación final, tanto de espesor como de uniformidad, mediante el riego de una solución al 2% de fenoltaleína a lo largo de la cara de un hueco excavado en la capa. La mezcla de suelo-cemento se tornará de un color rosado-rojizo mientras que el suelo no tratado o la subrasante mantendrá su coloración original —a menos que sea un suelo rico en calcio—. __________________________________________________________________________ 5-33


Corte con pala dentro de la mezcla detrás del equipo pulverizador, para verificación del espesor de corte. Con los equipos de nueva generación se logra un control de espesores muy preciso, gracias a los sistemas electrónicos de control con que están dotados

b. Mezclas en planta El grado de uniformidad de mezclado se realiza visualmente en el momento de la descarga de la mezcla hacia los camiones, aún cuando puede también hacerse sobre la mezcla extendida en la misma manera que fue explicada para mezclas en sitio. El tiempo de mezclado requerido para alcanzar un mezcla íntima de todos los materiales del suelo-cemento dependerá de la granulometría de los materiales empleados y del tipo de planta empleado, normalmente se establece un tiempo entre 20 y 30 segundos. Compactación La humedad óptima y densidad máxima de la mezcla de suelo-cemento empleada para su control se hace en la obra sobre muestras representativas de la mezcla cuando se va a iniciar la compactación. La densidad de campo varía desde un 95% a un 100% de la densidad máxima seca determinada por el AASHO Estandar (ASTM D-558) o Modificado (ASTM D-1557). La Verificación de densidades de campo se hace por algunos de los sistemas conocidos (cono y arena; balón de goma; densímetro nuclear). La frecuencia de ensayo dependerá de la producción. Normalmente se establece un mínimo de una muestra por cada 250 m3 de material colocado. La densidad de campo debe determinarse inmediatamente después de que haya concluido el proceso de compactación. La comparación de la densidad de campo y la densidad de laboratorio indicará las modificaciones en el patrón de compactación, o la necesidad de cambiar de equipo de compactación, con el fin de que la mezcla compactada pueda satisfacer los requisitos de calidad impuestos en la vía en construcción. __________________________________________________________________________ 5-34


Verificación de la densidad de campo (método de cono y arena) y con equipos nucleares

Espesor de la mezcla compactada y tolerancias de acabado de superficie a. Espesor El espesor de la mezcla compactada se verifica al momento de ejecutar los ensayos de densidad de campo, si éstos son ejecutados por el Método del Cono y Arena o por el Método del Balón de Goma. En el caso de que las densidades se verifiquen por equipos nucleares será necesario la toma de núcleos para medir el espesor de la capa compactada, o abrir huecos en la mezcla sin compactar, tal como se indicó para verificar el grado de uniformidad de la mezcla. La frecuencia en la toma de núcleos depende de la agencia que inspecciona: el Cuerpo de Ingenieros recomienda una muestra cada 425 m2 de pavimento; el Departamento de Carreteras de California establece que la distancia entre muestras no debe exceder los 300 ml.

Verificación del espesor de capa en el momento de ejecución de un ensayo de cono y arena para determinación del porcentaje de compactación.

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b. Calidad del acabado Con el fin de lograr una superficie sobre la cual se puedan colocar las mezclas asfálticas, o las losas de concreto, sin afectar los espesores de diseño, es necesario que la calidad del acabado de la capa de suelo-cemento sea tal que no presente deformaciones mayores a 10 mm cuando se mida con una regla de canto recto de 3 m de longitud. Esta medición se realiza colocando la regla en un plano perpendicular al eje de la vía, a intervalos de 15 m. Esta limitación se complementa, por otra parte, con el requisito de que no se permiten desviaciones mayores a 15 mm de la rasante de proyecto para la capa de suelocemento.

Acabado final de la superficie para eliminar los planos de compactación Curado El último elemento a controlar es la calidad en el curado de la capa de suelo-cemento. Este control es muy importante ya que garantiza que el agua de compactación no se pierde por evaporación, afectando así el proceso de la hidratación del cemento y, en consecuencia, el desarrollo de resistencia. El curado puede lograrse mediante mediante varios medios: (a) la colocación de pasto o paja; (b) empleo una capa de tierra. Ambas procedimientos exigen que el material que se emplea se mantenga húmedo durante los 3 a 7 días que debe durar el curado; (c) Un tercer método es mantener un riego permanente de agua mediante camiones cisternas; (d) también pueden colocarse láminas de plástico; y (e) quizás la manera más común de lograr el curado, tal como se ha indicado en el Capítulo referente a los procesos constructivos, es mediante la aplicación de un riego asfáltico. Este método, sin embargo, no debe emplearse sobre una capa que vaya a ser cubierta por otra capa de suelo-cemento. Lo importante es que el riego de curado se aplique inmediatamente después de haber terminado el rasanteo de la capa, y en una cantidad tal que logre cubrir satisfactoriamente toda la superficie. No debe emplearse asfalto líquido ligado con __________________________________________________________________________ 5-36


kerosene, sino sólo el RC-250 previamente calentado a las temperaturas recomendadas para este material (45°C a 60°C). La cantidad empleada debe variar entre 1.0 l/m2 y 2,0 l/m2. Pueden emplearse riegos de emulsión asfáltica en cantidades de aplicación entre 1.5 l/m2 y 2.5 l/m2.

Curado con agua y posterior aplicación del riego asfáltico

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Estabilización mediante empleo de aceites sulfonados El aceite sulfonado es un producto derivado de la fracción nafténica del petróleo. Es un líquido espeso de color negro con una gravedad específica cercana a 1,15; su PH es aproximadamente 1,25 y su viscosidad es ligeramente menor a la del agua. El aceite sulfonado es soluble en agua, a la cual ioniza con extrema rapidez. Cuando se emplea en solución acuosa, es un líquido de alta conductividad. Acción del aceite sulfonado sobre las partículas del suelo Las partículas finas de los limos y arcillas, debido a su composición mineralógica, tienen un exceso de iones cargados negativamente, o aniones, por lo cual atraen aquellos iones cargados con signo contrario, como los del agua. Esta atracción de los iones positivos del agua hacen que ésta se adhiera a las partículas minerales, formando un agua pelicular, la cual drena con mayor facilidad, tanto por gravedad como por evaporación, mejorando en consecuencia, las características del suelo original. Este proceso se conoce como “estabilización electroquímica”, la cual se logra no de una manera inmediata, sino a través del tiempo, requiriéndose que transcurran hasta un mínimo de 60 días para poder registrar cambios en las propiedades del suelo por medio de ensayos de laboratorio. Por la eliminación electroquímica del agua, que es un proceso irreversible, las partículas sedimentan y se orientan de tal manera que se atraen entre sí. De esta manera se logra una mayor densificación de la masa, que prácticamente elimina la estructura porosocapilar y la succión de agua por tensión superficial. Los suelos tratados con aceites sulfonados disminuyen su humedad entre un 30% y un 90%, con respecto a la óptima, y se han registrado incrementos en la densidad hasta en un 15%. Se han reportado también aumentos en la resistencia al corte del suelo, medida por el ensayo de CBR, lo que permite una reducción en los espesores de las capas de material granular a ser colocado sobre el terraplén estabilizado electroquímicamente. Proceso constructivo de la estabilización con aceites sulfonados Cuando se desea mejorar las características de resistencia en la capa superficial de un terraplén en construcción, o de un material de sub-base, el aceite sulfonado (A-S) simplemente se añade al agua de compactación, de tal manera que resulte en una dosificación aproximada de 0,03 litros por cada 0,3 m3 de suelo. Luego de mezclado el agua, el suelo y el A-S, el material se compacta empleando el mismo equipo y procedimiento que se hubiese empleado en el material original. Una de las ventajas de la estabilización electroquímica, es que puede emplearse para mejorar las características de un terraplén ya construido, sin tener que recurrir a su remoción. Para esto se emplea la técnica de la inyección, la cual es, en forma resumida, la siguiente: (a) se perfora el terraplén mediante taladro rotativo, a una profundidad de 80 cm, (b) mediante un equipo inyector y a una presión de 2000 a 3000 psi (140 a 210 kg/cm2), se introduce en el hueco el agua ionizada, a una dosis de 0,1 litro por inyección. Detalles sobre el diseño de pavimentos y experiencias en el uso de aceite sulfonado en vías agrícolas, han sido publicados por Parejo y Escobar(1983) y Escobar (1984).

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Suelo-cal (Este tema ha sido tomado, con la autorización del Autor, de la publicación: “Guía Geotécnica y Ambiental”, preparada por el Ing. Daniel Salcedo R. para la República Dominicana en el año 2001). Objetivos de la estabilización con cal El uso de la cal en la estabilización de suelos sigue, al igual que el cemento, el propósito general de esta clase de trabajos, es decir, mejorar las características naturales del suelo de modo que aumente su capacidad para resistir los efectos inducidos por el tránsito (esfuerzo de corte) y los cambios volumétricos en condiciones diferentes de clima. Existen muchas publicaciones que tratan la estabilización de suelos con cal. Entre ellas se pueden citar, por ejemplo, Dal-Ré (2001) y Montejo (1998), las cuales sirvieron de referencia para la elaboración de esta sección. La cal se adapta perfectamente en la mayoría de los casos para lograr resultados positivos, y su empleo suele ser conveniente por tratarse de un producto de costo moderado, de fácil manejo, así como, en general, de producción fácil y abundante. La incorporación de cal reduce las características plásticas de los suelos, haciéndolos más friables y aumentando relativamente su valor soporte, acción que se ha demostrado continúa en función del tiempo. Asimismo, la cal reduce la susceptibilidad al agua de los suelos cohesivos, disminuyendo la tendencia al hinchamiento de los mismos. Uno de los campos donde la cal promete considerables beneficios es en la provisión de “superficies de trabajo” y sub-bases para caminos construidos sobre suelos arcillosos muy plásticos. La lluvia y la acción del tránsito de obra, actuando simultáneamente, pueden convertir un lugar en intransitable, retardando considerablemente el trabajo. Un tratamiento con cal inmediatamente después de remover el suelo superficial puede resolver esta situación. La resistencia adicional conferida al suelo por la cal, también puede aprovecharse para reducir el espesor de las capas superiores. La cal puede usarse en combinación con otros materiales estabilizantes, dando lugar a sistemas mixtos de estabilización. Por ejemplo, en la estabilización con asfaltos, la cal influye en corregir las características plásticas de los suelos cohesivos, con lo cual se mejora la acción posterior del asfalto. La incorporación previa de cal puede ser ventajosa en el tratamiento de suelos plásticos con cemento. La cal reduce la plasticidad, facilita la posterior pulverización del suelo y por consiguiente el mezclado con el cemento Portland, así como reduce las cantidades de este material. El costo de la incorporación de cal, se compensa por las ventajas señaladas. Materiales usados en la estabilización de suelo-cal Suelos En general casi todos los tipos de suelos son susceptibles de estabilizar con cal. Tanto los suelos de granulometría fina (100% pasante el tamiz No. 10) como aquellos más gruesos con algún contenido de fino, pueden mejorar sus características con la incorporación de cal. Suelos altamente granulares, con arcilla activa, cuyas variaciones

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volumétricas con el agua reducen la capacidad portante del mismo, han sido considerablemente mejorados mediante el tratamiento con cal. Cal La cal es un producto obtenido de la descomposición de rocas calizas por el calor. Si éstas son puras y se calientan a temperaturas superiores a 900°C, se obtiene la siguiente reacción: C03Ca + calor

Ca0 + C02

(Ec. 1)

Es decir, el carbonato de calcio se descompone en óxido de calcio y anhídrido carbónico, que se elimina con los productos gaseosos de la combustión. La cal más empleada es la llamada “cal hidráulica”, la cual procede de la calcinación industrial de rocas calizas con más del 5% de arcilla. Este producto es una cal hidratada sin magnesio, Ca(OH)2, con un porcentaje de óxido cálcico superior al 75%; también puede utilizarse la cal hidratada dolomítica. La cal hidráulica se envasa en sacos, lo cual facilita su manejo y transporte; este producto también puede obtenerse comercializado a granel. En menor escala se emplean la cal-grasa, la cal magra y la cal viva, el empleo de esta última está limitado en razón de los riesgos que presenta su manipuleo, aún cuando trabajen protegidos por caretas, guantes y petos apropiados. Influencia de la cal en las características de los suelos La cal generalmente produce: • Una disminución en la densidad de los suelos. • Reducción en la plasticidad. • Aumento en la capacidad soporte y resistencia al corte. • Reducción del hinchamiento. La acción de la cal suele explicarse como efectuada por tres reacciones básicas: • La primera es la alteración de la película de agua que rodea los minerales de arcilla. • El segundo proceso es el de coagulación o floculación de las partículas de suelo; dado que la cantidad de cal ordinariamente empleada en la construcción de carreteras es baja (4 al 10% en peso), resulta en una concentración del ión de calcio mayor que la realmente necesaria. • El tercer proceso a través del cual la cal afecta el suelo, es su reacción con los componentes del mismo para formar nuevos productos químicos. Los dos principales componentes que reaccionan con la cal son la alúmina y el sílice Esta reacción es prolongada en la acción del tiempo y se manifiesta en una mayor resistencia si las mezclas de suelo-cal son curadas durante determinados lapsos de tiempo. Este hecho es conocido como "acción puzolánica”.

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El grado al cual la cal reacciona con el suelo, depende de ciertas variables tales como cantidad de cal, clase de suelo y período de tiempo de curado de mezcla suelo-cal. Influencia de la cal sobre las constantes físicas del suelo • Límites de plasticidad Una de las funciones más importantes de la cal es que modifica la plasticidad del suelo en forma bastante apreciable. Para suelos con Indices Plásticos (IP) inferiores a 15, la cal incrementa el Límite Líquido de forma que el IP experimenta un ligero incremento. Para suelos más plásticos (IP >15) la cal generalmente reduce el Límite Líquido y aumenta el Límite Plástico, traduciéndose en una disminución apreciable del Indice Plástico. • Límite de contracción Se ha comentado anteriormente que la adición de cal flocula las partículas arcillosas del suelo transformando su textura elemental; en consecuencia, se observa una marcada reducción de la contracción lineal y de la relación de contracción. Estos valores se determinan de acuerdo al ensayo ASTM D-427. • Influencia sobre la textura elemental Como es natural, al flocular las partículas de arcilla por la adición de la cal, se produce una modificación de la textura elemental del suelo. Tal hecho es puesto en evidencia en el análisis mecánico por sedimentación, donde se observa una disminución de la fracción arcilla, aumentando la proporción de partículas de limo y arena fina, esta última en menor medida. • Influencia sobre la densidad seca Si se compacta una mezcla de suelo-cal, se obtiene por lo general una densidad seca menor que la correspondiente al suelo solo, para las mismas condiciones de compactación. Esta disminución puede alcanzar hasta un 5%. La reducción en la densidad puede explicarse por el efecto de la cal sobre la textura del suelo: en efecto, el hecho que la adición de cal incrementa la resistencia de un suelo mientras reduce su densidad no debe extrañar. En la mayoría de los suelos, la resistencia generalmente aumenta con la densidad. Sin embargo, cuando algún agente químico, tal como la cal, es agregado a un suelo se forma un nuevo material, el cual puede tener propiedades físicas y químicas enteramente diferentes que el original y por lo tanto, a su propia densidad máxima puede tener mayor resistencia que el suelo no tratado, aunque éste se encuentre más densificado. • Influencia sobre la resistencia de los suelos Si bien la cal disminuye la densidad de compactación del suelo, no ocurre lo contrario con su capacidad resistente. Debe tenerse en cuenta que el inmediato aumento de resistencia del suelo es causado por los cambios en las películas que rodean las partículas de arcilla así como por su modificación de tamaño, por la granulación de estas partículas. El curado de las probetas durante cierto período de tiempo produce un aumento de resistencia. También puede observarse un efecto parecido si se aumenta la energía de compactación de las probetas y ensayándolas después de un período de curado. __________________________________________________________________________ 5-41


El efecto debido a la acción cementante de la cal, no se muestra inmediatamente después de compactadas, sino al cabo de haber transcurrido un tiempo desde el momento en que se ha tenido lugar la iniciación del fraguado. Los ensayos de Valor Soporte de California (CBR) sobre suelos tratados con cal, muestran un pronunciado aumento de la resistencia con respecto al CBR de la muestra sin estabilizar. El ensayo CBR se hace de acuerdo a la norma usual aplicada (ASTM D-1883), pudiendo introducirse las siguientes variantes. -

VARIANTE A: Mezclar el suelo y la cal húmeda hasta el contenido óptimo y moldear la probeta enseguida.

-

VARIANTE B: Después del mezclado y humedecido del suelo con la cal, dejar la mezcla en reposo durante dos a cuatro horas, en cámara húmeda, después de lo cual se procede al moldeo de las probetas

-

VARIANTE C: Extender el periodo de reposo previo a 24 horas, procediendo después a moldear las probetas.

-

VARIANTE D: Dejar la mezcla suelo-cal humedecida al óptimo, durante 7 días al aire. Pulverizar la masa, restablecer el contenido de agua y compactarlas.

-

VARIANTE E: Dejar la mezcla suelo-cal en cámara húmeda durante 7 días, agregar la cantidad de agua requerida para alcanzar nuevamente el óptimo, compactar y ensayar según la norma.

En todos estos casos el período de inmersión es el común de 4 días y luego se hace la penetración del pistón. Las variantes resumidas en los puntos anteriores tratan de reproducir distintas situaciones que pueden ocurrir en la mezcla suelo-cal durante los trabajos en obra, desde el mezclado hasta la compactación. Determinación del porcentaje óptimo de cal Es indudable que, desde el punto de vista técnico-económico, la cantidad óptima de cal para estabilizar un suelo es el menor porcentaje capaz de modificar las propiedades del suelo, hasta el extremo requerido por el destino que habrá de dársele en el proyecto. La estabilización con cal tiene por lo general dos objetivos: -

Aumentar la resistencia a los esfuerzos normales y tangenciales. Reducir el hinchamiento.

La comparación de los resultados debe hacerse entre los valores correspondientes al suelo solo mezclado con diferentes porcentajes de cal. La elección de la cantidad óptima recaerá en el menor porcentaje incorporado al suelo, capaz de conferirle las propiedades buscadas. Los criterios de diseño de mezclas de suelo-cal se pueden clasificar en dos grandes categorías. La primera categoría incluye como objetivo la estabilización mediante una reducción del índice de plasticidad, mejoramiento de la trabajabilidad, incremento inmediato de la resistencia y disminución del potencial expansivo. Los criterios dentro de esta categoría incluyen, entre otros, la no disminución adicional en el índice de plasticidad con un incremento en el porcentaje de cal, una reducción aceptable en el __________________________________________________________________________ 5-42


índice de plasticidad para los objetivos de la estabilización, y una reducción aceptable en el potencial de expansión. La segunda categoría de criterios de diseño de mezclas de suelo-cal, tiene como objetivo el mejoramiento de la resistencia asociada a las reacciones pozolánicas que ocurren entre la cal y el suelo. Los diseños en esta categoría típicamente especifican que la mezcla curada de suelo-cal, debe cumplir con un requerimiento mínimo de resistencia especificado, y que el contenido de cal de diseño es el porcentaje que produce la máxima resistencia para las condiciones de curado establecidas. La mayoría de los criterios de resistencia se expresan en términos de la resistencia a la compresión sin confinar (ASTM D-1633 y ASTM D-2166). Otros criterios de diseño desarrollados, consideran el pH como un excelente indicador el contenido de cal óptimo. Los criterios de diseño de mezclas deben ser validados con base en la experiencia de campo y generalmente se desarrollan en función de la localización geográfica y geológica en particular. La experiencia internacional recomienda que la resistencia media a la compresión de seis briquetas de 15x30 cm, después de 7 días de curado, alcance un valor mínimo de 8 kg/cm2 (Dal-Ré, 2001). Conviene destacar que la cantidad de cal no debe ser menor al 3% en peso, ni mayor al 8%. Un exceso de cal en la mezcla con el suelo, no sólo no lo mejora, sino que lo hace perder calidad, dando lugar a un conjunto excesivamente “graso”. Aún cuando cualquier tipo de suelo arcilloso puede ser estabilizado con cal, los mejores resultados se obtienen cuando éste tiene un Índice Plástico entre 17% y 40%, y su granulometría se encuentra dentro de los siguientes límites: Tamiz

% pasante, en peso

# 40

< 75

# 200

< 35

Una vez seleccionado dicho porcentaje es aconsejable, por razones prácticas, adicionarle un 0.5% al 1% para tener en cuenta los desperdicios, inevitables durante las operaciones constructivas. Ejecución de la estabilización con cal Se realiza siempre “in situ”, es decir, con mezclado sobre la vía, con estabilizadoras de múltiples pasadas, con una secuencia de operación similar a la ya descrita para la estabilización con suelo-cemento. Sin embargo, debido a que se emplean generalmente suelos arcillosos, el desmenuzado o pulverización del suelo, debe realizarse con una humedad tal que permita que los terrones se deshagan fácilmente, lo que normalmente se logra cuando el contenido de agua se aproxima al punto medio del contenido de humedad entre el Límite Plástico y el Límite de Contracción (punto medio del “estado blando” de un suelo). La foto de la Figura VI-37, muestra el proceso de distribución de cal en una obra donde se utilizaron "marcos" para garantizar la correcta distribución de __________________________________________________________________________ 5-43


la cantidad de cal por metro cuadrado. Generalmente el procedimiento más utilizado contempla el extendido de la cal con rastrillos. Cuando se trata de estabilizar suelos arcillosos, la compactación debe ser preferiblemente ejecutada con rodillos “pata de cabra”, terminándose con rodillos de cauchos lisos pesados. El uso de compactadores vibratorios en ciertos suelos es permitido, previa comprobación de su efectividad con pruebas de campo. El control de la densidad y la humedad en campo, se realiza igualmente que para las bases y subbase granulares, o bases estabilizadas con cemento, mediante el cono de arena o con densímetro nuclear.

Figura 9. Proceso de distribución de cal, utilizando marcos para la correcta distribución de la misma.

Las fotos (1) al (12) de la Figura 10, muestran la secuencia constructiva de una estabilización con cal de una base en un camino vecinal de República Dominicana. En la ejecución de la estabilización con cal, a diferencia con la de suelo y cemento, no existe un límite de tiempo tan reducido (dos horas) para finalizar los trabajos de compactación desde el inicio del fraguado, pues tales tareas pueden finalizarse dentro de las 24 horas siguientes a la mezcla de suelo, cal y agua, lo que facilita su ejecución.

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(1)

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(2)

(4)

Figura 10. Secuencia constructiva de estabilización con cal. (1) Colocación de las fundas de cal con el espaciamiento calculado, sobre la superficie de la franja a estabilizar. (2) y (3) Proceso de apertura y vaciado de la cal. (4) Brigada en proceso de distribución de la cal, utilizando escobillones. (Fotos cortesía del Dr. M. Gómez-Achécar.

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(5)

(7)

(6)

(8)

Figura 10 (continuación). (5) Inicio de escarificación de 10 cm en el ancho de franja, en este caso 3.5 m. (6) Riego de agua sobre la franja escarificada. (7) Mezclado de los primeros 10 cm de espesor. (8) Retiro hacia el otro lado de la franja del material mezclado (10 cm), y escarificación de los 10 cm restantes para completar una capa de 20 cm de espesor. (Fotos cortesía del Dr. M. Gómez-Achécar).

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(9)

(10)

(11)

(12)

Figura 10 (continuación). (9) Regado de agua sobre los 10 cm siguientes. (10) Mezclado de los primeros 10 cm y los restantes, proceso que va incorporando el material colocado encima de la otra franja. (11) Conformación y reperfilamiento de la franja estabilizada. (12) Compactación de la franja. (Fotos cortesía del Dr. M. Gómez-Achécar).

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Índice

Edición de octubre de 2004

Índice _______________________________________________________________________________

Apuntes de Pavimentos Volumen 1. Edición Octubre 2004. (Revisión Octubre 2006) In memorian Presentación Índice de Capítulos Capítulo 1 Introducción y conceptos básicos Definiciones y conceptos básicos Tipos de pavimentos Unidades de diseño Factores que influyen en el diseño de un pavimento Conceptos estructurales básicos en los pavimentos Flexibles Esfuerzos en los pavimentos flexibles Tipos de fallas en los pavimentos El proceso y las estrategias de diseño La red vial nacional

1-1 1-3 1-7 1-9 1-9 1-11 1-12 1-14 1-18

Capítulo 2 Obtención y manejo de la información de tránsito para el diseño de pavimentos Características del tránsito (Definiciones y conceptos básicos) 2-1 Obtención de los valores de tránsito para el diseño de pavimentos 2-5 Lapso de medición de volúmenes de tránsito 2-15 Peso total y peso por eje de los vehículos de carga 2-16 Utilización de la información de tránsito para el diseño de pavimentos 2-19 Determinación del efecto de las cargas transmitidas por los diferentes tipos de ejes sobre un pavimento flexible 2-22 Metodología para el cálculo del número de cargas equivalentes (Ree o wt18) para el diseño de pavimentos 2-26 Estimación del Factor Camión para el caso en que no pueden pesarse los camiones 2-31 Número de días por año en que las variables de tránsito son aplicables 2-33 La variable tránsito en el Método AASHTO-2002 2-36 Capítulo 3 El material de sub-rasante y el ensayo CBR Sub-rasantes Ensayo de Soporte California (CBR) Importancia de la sobrecarga La necesidad de la saturación Ecuaciones de correlación cuando no pueden ejecutarse los ensayos de CBR de laboratorio en cada una de las

3-1 3-2 3-7 3-11

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Índice _______________________________________________________________________________

condiciones deseadas de humedad Selección del CBR en una Unidad de Diseño (criterio del percentil de diseño) Selección del CBR en una Unidad de Diseño (criterio de AASHTO-93) Módulo Resiliente (MR) Procedimiento resumido del ensayo triaxial dinámico Ecuaciones de corrlación CBR-MR Tipos de materiales a ser empleados como sub-rasantes o sub-rasante mejoradas Establecimiento de las Unidades de Diseño a lo largo de una carretera Planilla de ensayo CBR en muestra saturada Planilla de ensayo CBR en muestra húmeda Uso de geosintéticos para el mejoramiento de sub-rasantes Capítulo 4 Sub-bases y bases de materiales granulares no tratados Bases y sub-bases granulares Tipos de materiales para capas de sub-base Tipos de materiales para capas de base Especificaciones COVENIN para bases granulares Combinación de agregados Módulo de Elasticidad en las sub-bases granulares Módulos de Elasticidad en las bases granulares Ecuaciones de correlación entre el CBR y el MR en materiales granulares Especificaciones de uso de materiales granulares no estabilizados en función del CBR e hinchamiento Capítulo 5 Estabilización de suelos y mezclas de suelocemento Introducción Estabilización con cemento Diseño de mezclas de suelocemento Método general de dosificación (PCA) Método simplificado de dosificación (PCA) Método de dosificación por la AASHTO Diseño aproximado cuando no se puede ejecutar ningún tipo de ensayos Requisitos mínimos que deben satisfacer las mezclas de suelocemento de acuerdo a las normas venezolanas Construcción de mezclas de suelocemento Inspección y control de calidad en las obras de suelocemento Estabilización mediante empleo de aceites sulfonados Suelocal Índice

3-12 3-12 3-15 3-15 3-16 3-19 3-21 3-22 3-27 3-28 3-29

4-1 4-3 4-7 4-15 4-17 4-26 4-27 4-28 4-28

5-1 5-2 5-3 5-4 5-4 5-15 5-17 5-17 5-18 5-29 5-38 5-39 (i)

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Volumen1(Octubre2006)

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