Estudio de Deflectometria

Premio Grañ a y Mont ero

Investig ación Profes ional

PREMIO GRAÑA Y MONTERO Categoría: INVESTIGACION PROFESIONAL P

Título: DE SUBRASANTES DE BAJA CAPACIDAD PORTANTE POR MEDIO DE LA APLICACIÓN DE CORRELACION DEFLECTOMETRICA” “MEJORAMIENTO

Candidato:

ING. CIP R AMÓN AMÓN OVIEDO BELLOTT LIMA , MARZO DE 2013

Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott

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PREMIO GRAÑA Y MONTERO A LA INVESTIGACIÓN EN INGENIERIA PERUANA Categoría: INVESTIGACIÓN PROFESIONAL

Tema: “MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES DE BAJA CAPACIDAD PORTANTE POR MEDIO DE LA APLICACIÓN DE CORRELACIÓN DEFLECTOMÉTRICA”

ÍNDICE 1.

PROPÓSITO PROPÓSI TO DE LA INVESTIGACIÓN INVES TIGACIÓN

2.

METODOLOGIA METODOLOG IA EMPLEADA EMPLEAD A EN LA INVESTIGACIÓN INVEST IGACIÓN

3.

TRABAJOS Y EXPERIENCIAS EXPERIENC IAS REALIZADAS REALIZ ADAS

4.

ANALISIS DE LOS RESULTADOS

5.

CONCLUSIONES

6.

POSIBILIDADES POSIBI LIDADES DE APLICACIÓN APLICACI ÓN

ANEXO DE BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA UTILIZADA

Lima, marzo de 2013


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PREMIO GRAÑA Y MONTERO A LA INVESTIGACIÓN EN INGENIERIA PERUANA Categoría: INVESTIGACIÓN PROFESIONAL

Tema: “MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES DE BAJA CAPACIDAD PORTANTE POR MEDIO DE LA APLICACIÓN DE CORRELACIÓN DEFLECTOMÉTRICA”

ÍNDICE 1.

PROPÓSITO PROPÓSI TO DE LA INVESTIGACIÓN INVES TIGACIÓN

2.

METODOLOGIA METODOLOG IA EMPLEADA EMPLEAD A EN LA INVESTIGACIÓN INVEST IGACIÓN

3.

TRABAJOS Y EXPERIENCIAS EXPERIENC IAS REALIZADAS REALIZ ADAS

4.


5.

CONCLUSIONES

6.

POSIBILIDADES POSIBI LIDADES DE APLICACIÓN APLICACI ÓN

ANEXO DE BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA UTILIZADA

Lima, marzo de 2013


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PREMIO GRAÑA Y MONTERO

Categoría: INVESTIGACIÓN PROFESIONAL PROFESIONAL Título: Título : MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES S UBRASANTES DE BAJA CAPACIDAD CAPACID AD PORTANTE PORT ANTE POR MEDIO DE LA APLICACIÓN DE CORRELACIÓN DEFLECTOMÉTRICA

Candidato: Ing. Ramón Oviedo Bellott 1.-

PROPOSITO DE LA INVESTIGACIÓN La construcción de carreteras es una de las actividades de mayor incidencia e impacto en la realización de obras de infraestructura y ciertamente es uno de los rubros que contribuye de manera más eficaz y eficiente en el mejoramiento de las condiciones de vida de la comunidad a la cual se beneficia en particular y de la sociedad y el país en general. Frecuentemente, en el intenso ajetreo de los trabajos que se acometen; los ingenieros disponemos de un tiempo muy corto o restringido para abocarnos a recopilar los logros alcanzados en la sistematización de ciertas operaciones clave; como son por ejemplo los trabajos de explanaciones en carreteras. La motivación principal que mueve a este trabajo es simplemente la divulgación de avances muy consistentes y debidamente sustentados en razonamientos teóricos, a objeto de garantizar la buena capacidad portante del suelo de fundación de una carretera. Durante la ejecución de trabajos de explanaciones en cortes y rellenos para terraplenes de carreteras; casi inevitablemente se presentan sectores donde la subrasante presenta deficiencias puntuales de capacidad portante; las cuales por la premura de los trabajos, deben ser subsanadas en tiempos relativamente cortos y perentorios. Si bien, en los tiempos recientes para la elaboración de estudios se acude al concurso de equipos modernos tales como el Dynaflect, Road Rater y el deflectómetro de impacto (Falling Weight Deflectometer o FWD); estos resultan ciertamente onerosos o inapropiados para verificaciones cortas y expeditivas, allí donde se constata puntualmente un déficit de la capacidad portante de la fundación. En estos casos, tradicionalmente los métodos a los que se acudían para su diagnóstico certero eran basados en las pruebas conocidas de Valor de Soporte de California (más conocida como California Bearing Ratio o CBR) o Penetrómetro Dinámico de Cono (PDC). La utilización cada vez más intensiva de un equipo relativamente más sencillo y económico como es la Viga Benkelman (VB); permite el planteamiento de métodos combinados, de tal modo que nos posibiliten otorgar celeridad en las respuestas técnicas durante las operaciones de construcción. El propósito del presente trabajo es la presentación de los resultados relativos al dimensionamiento expedito de los mejoramientos de subrasante en base a la sistematización de resultados de CBR correlacionados con pruebas deflectométricas de VB de tal modo que nos permitan la calibración estructurada de espesores de mejoramiento de subrasante.


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2.-


METODOLOGIA EMPLEADA EN LA INVESTIGACION La subrasante debe tener una capacidad de respuesta para garantizar la vida útil del pavimento, la cual debe ser conforme con los Estudios y las Especificaciones Técnicas del proyecto en lo referente a su grado de compactación y deflexión máxima admisible. Sin embargo, esto no se cumple en algunos casos aislados o puntuales, resultando inevitable efectuar su mejoramiento. Comúnmente, es práctica habitual que las necesidades de mejoramiento de subrasantes sean objeto de verificación previa por parte del Supervisor de Obra que ‒ en consenso con el Contratista‒ define en forma semi-empírica los espesores y magnitudes del mejoramiento requerido. Sin embargo, muy a menudo se suscita una controversia técnica sobre los espesores necesarios y suficientes de mejoramiento, ya que al ser realizada la auscultación del subsuelo, no existe un procedimiento explícito ni una adecuada fundamentación teórica ni técnica para acatar tal o cual procedimiento. Este documento propone el análisis teórico-práctico para determinar los espesores adecuados de reemplazo del material no competente de la subrasante, que no reúne las condiciones del valor mínimo de CBR, para cumplir con el diseño estructural del pavimento. En consecuencia, en la primera parte se exponen las bases teóricas de la metodología propuesta para la sistematización de los mejoramientos de capacidad portante de subrasantes en carreteras. Posteriormente se converge a un procedimiento practico para cumplir satisfactoriamente tal cometido. En este trabajo, los ensayos de verificación de campo han sido realizados en base a la recopilación de experiencias efectuadas en el Laboratorio de Mecánica de Suelos, Pavimentos y Concretos del Concesionario ConirsaIIRSA SUR del Corredor Vial Interoceánico Sur- Perú-Brasil Tramos 2 y 3 en el Campamento Mazuko, Departamento de Madre de Dios; el año 2008. El paquete estructural del pavimento en ejecución era el siguiente:


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2.1.- Excavación para Explanaciones El suelo de fundación de una carretera puede estar conformado por terreno natural en el caso de cortes o por un terraplén en el caso de rellenos. Para ambos casos, la cota geométrica superior se denomina subrasante. Los trabajos de explanación para conformación de la subrasante, contemplan normalmente la realización de cortes del suelo en su estado natural y la conformación de rellenos para terraplenes con material de canteras, cuando las condiciones geotécnicas del préstamo lateral no son aptas para alcanzar la calidad requerida. Las Normas EG-2013 (Resolución Directoral N° 03-2013-MTC/14) de reciente actualización, en la Sección 202 Excavación para Explanaciones; en el apartado “Requerimientos de Construcción”; numeral 202.08 Excavación, estipulan los siguientes rubros más relevantes: “…aprobación, por parte del Supervisor, de los trabajos de topografía, desbroce, limpieza y demoliciones… …coordinación con las obras de drenaje del Proyecto… …que se asegure la utilización de todos los materiales aptos y necesarios para la construcción… (…). Al alcanzar el nivel de la subrasante en la excavación de material suelto, se deberá escarificar una profundidad mínima de 15 cm, conformar de acuerdo con las pendientes transversales especificadas y compactar, según las exigencias de compactación definidas en la Subsección 202.19. Si los suelos encontrados a nivel de subrasante están constituidos por suelos inestables, el Supervisor ordenará las modificaciones que corresponden a las instrucciones del párrafo anterior, con el fin de asegurar la estabilidad de la subrasante. En este caso se aplicará lo especificado en la Sección 207 . Como se puede advertir, dada la gran diversidad de casos que se confrontan en la ejecución de las explanaciones, no resulta posible de estructurar ni definir acciones más detalladas en caso de suelos inestables a fin de garantizar la estabilidad de la subrasante. Es por ello que, implícitamente las Normas dejan al buen criterio ingenieril y la práctica comúnmente aceptada para la adopción del método más apropiado de estabilización del suelo de fundación. Es precisamente a este rubro que se pretende aportar y contribuir con un esclarecimiento de carácter técnico, que tiene el propósito de llenar el vacío actualmente existente.

2.2.- Mejoramiento de suelos a nivel de Subrasante 2.2.1. Las estipulaciones que contienen las Normas EG-2013 Según la Subsección 207.01; el Mejoramiento de suelos consiste en “ excavar el terreno por debajo de la subrasante o de fundación de terraplenes y su reemplazo parcial o total con materiales aprobados debidamente conformados, acomodados y compactados, de acuerdo con la presente especificación, conforme con las dimensiones, alineamientos y pendientes señalados en los planos del Proyecto y las instrucciones del Supervisor ”. Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott

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La Subsección 207.04 añade: (…) “Los espesores de las capas a conformar en el mejoramiento deberán ser como máximo de 30 cm, exceptuando los 30 cm por debajo del nivel de la subrasante que será conformado en 2 capas de 15 cm. En lo que corresponda deberán ceñirse a lo especificado en las Subsecciones 205.07 y 205.08 ” La Subsección 207.05, considera la siguiente clasificación: “ a. Mejoramiento involucrando el suelo existente En el caso el Proyecto prevean el mejoramiento involucrando los materiales del suelo existente, o el Supervisor lo considere conveniente, pueden presentarse dos situaciones, sea mediante la estabilización mecánica o combinación de suelos, estos se disgregarán en las zonas y con la profundidad establecida en los planos, empleando procedimientos aprobados por el Supervisor . (…) El suelo de aporte para el mejoramiento se aplicará en los sitios indicados en los documentos del Proyecto o definidos por el Supervisor, en cantidad tal, que se garantice que la mezcla con el suelo existente cumpla las exigencias de la Subsección 207.02 , en el espesor señalado en el Proyecto o aprobado por el Supervisor. Los materiales disgregados y los de adición, se humedecerán o airearán hasta alcanzar la humedad apropiada de compactación y, previa la eliminación de partículas mayores de 7.5 cm, se compactarán hasta obtener los niveles de densidad establecidos para la corona del terraplén en la Subsección 205.12 (c) (1).(…) b. Mejoramiento empleando únicamente material adicionado Cuando los documentos del proyecto prevean la construcción de la subrasante mejorada con aporte solamente con material adicionado, pueden presentarse dos situaciones, sea que la capa se construya directamente sobre el suelo natural existente o que éste debe ser excavado previamente en el espesor indicado en los documentos del Proyecto y reemplazado por el material de adición. En el primer caso, el suelo existente se deberá escarificar, conformar y compactar a la densidad especificada para cuerpos de terraplén, en una profundidad de 15 cm. (…). Además se establece que: “En el caso de que el mejoramiento con material totalmente adicionado implique la remoción total del suelo existente, ésta se efectuará en el espesor previsto en los planos o dispuesto por la Supervisión en acuerdo con el procedimiento descrito en la Subsección 202.08. (…)” Una innovación declarativa que introduce con relación a las EG-2000 es que considera también los mejoramientos adicionando únicamente “material manufacturado” según las Secciones 404, 405, 406, 407, 408 (aún inexistentes) así como el mejoramiento de subrasante con geotextiles. La nueva normativa actualizada en las EG-2013 resulta sustantivamente más ordenada y mejorada en relación a las pasadas Normas EG-2000. Sin embargo, en el tema analizado y en base a la experiencia recogida, podría nuevamente ocasionar problemas de aplicación que en la mayor parte de los casos derivan en controversias técnicas entre las partes involucradas en el Proyecto; al no existir un procedimiento específicamente estipulado. Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott

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2.2.2. Los parámetros determinantes en la respuesta de la Subrasante El comportamiento de una subrasante generalmente depende de tres características básicas, las cuales se hallan interrelacionadas entre sí, siendo éstas las siguientes:

a) La capacidad portante La subrasante debe tener la capacidad de soportar las cargas transmitidas por la estructura del pavimento. La capacidad de carga es función del tipo de suelo, del grado de compactación y de su contenido de humedad. El propósito del pavimento es proporcionar una superficie confortable al tránsito de vehículos. Consecuentemente, es necesario que la subrasante sea capaz de soportar un número grande de repeticiones de carga sin presentar deformaciones.

b) Contenido de humedad El diferente grado de humedad de la subrasante afecta en forma determinante su capacidad de carga, pudiendo además llegar a provocar inclusive contracciones y/o expansiones indeseables, especialmente en el caso de la presencia de suelos finos. El contenido de humedad es afectado principalmente por las condiciones de drenaje, elevación del nivel freático, infiltración etc. Una subrasante con un elevado contenido de humedad sufrirá deformaciones prematuras ante el paso de las cargas de solicitación de los vehículos.

c) Contracción y/o expansión Algunos suelos se contraen o se expanden, dependiendo de su grado de plasticidad y su contenido de humedad. Cualquier pavimento construido sobre estos suelos, si no se adoptan las medidas pertinentes, tenderán a deformarse y/o deteriorarse prematuramente. Para evitar que las deflexiones admisibles en la subrasante excedan los límites establecidos, debe cumplirse que la presión transmitida por la carga se mantenga por debajo del valor de la carga máxima transmitida al suelo, para lo cual deberá tomarse en cuenta el tránsito de diseño a través del número de repeticiones de carga, las deflexiones máximas esperadas y el CBR del material con el que se ejecutará el mejoramiento.

2.2.3. Metodología utilizada en la Investigación El método utilizado que se describe en este trabajo, está orientado a proporcionar una correlación práctica para el mejoramiento cualitativo de subrasantes en la construcción de pavimentos. Primeramente, se han recopilado casi en forma irrestricta todas las investigaciones realizadas y las expresiones consecuentes que establecen la correlación más plausible entre los diferentes valores de CBR y su Módulo Resiliente “MR”. Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott

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Seguidamente se ha realizado la calibración de las deflexiones encontradas con VB en registros previos y posteriores a mejoramientos realizados con dos espesores típicos: 40 y 70 cm. Esta calibración ha permitido encontrar los factores de ajuste entre las deflexiones teóricas esperadas a través del modelo de Ahlvin y Ulery y las deflexiones efectivamente registradas en los ensayos deflectométricos con VB. Posteriormente, se ha realizado un análisis estadístico para establecer la correlación de los espesores de mejoramiento de subrasante con las deflexiones y los CBR’s correspondientes a la calidad del suelo de fundación en un rango válido de 3 al 10%. En resumen, para mejorar la capacidad estructural de una subrasante que está llegando al límite de su estabilidad aceptable, conceptualmente se recurre a medir su desplazamiento vertical (deflexión) bajo una carga estándar predeterminada que es la VB. Esta medición se hace conociendo la calidad y los espesores del material de mejoramiento. Con estas deflexiones se infieren los valores de los módulos resilientes de esos materiales, lo cual nos conduce a determinar en forma precisa los espesores necesarios para no rebasar la deflexión máxima permi sible. El procedimiento en sí, consiste en determinar una adecuada combinación de espesores de capas y calidad de materiales del sistema suelo naturalsubrasante (E,µ y h) para que los esfuerzos y deformaciones causados por las solicitaciones a que se someterá su estructura, permanezcan dentro de los límites deflectométricos admisibles establecidos previamente.

2.2.4. Planteamiento teórico de base a) Distribución de presiones hasta la subrasante Como una primera aproximación para establecer la distribución de esfuerzos, se aplicó el modelo propuesto por el matemático francés Joseph V. Boussinesq en 1885, que determinó el estado de esfuerzos en una masa de suelo a cualquier profundidad. El citado trabajo se basó en una carga concentrada aplicada en un semiespacio lineal, idealizado como elástico, isótropo y homogéneo. Esta solución fue por mucho tiempo la única disponible, hasta que en 1945 Donald M. Burmister propuso una teoría que se podía aplicar a estructuras de pavimentos, basada en la teoría de Boussinesq pero que tenía en cuenta los estratos y las propiedades mecánicas de los materiales que conforman la masa de suelo, para calcular el estado de esfuerzos de ésta a cualquier profundidad. Posteriormente, la generalización del modelo a estructuras multicapa con diferentes condiciones de frontera fue propuesta por Westergaard, Palmer y Barber, Odemark, Yoder y otros. Los espesores y las profundidades de mejoramiento de las subrasantes ameritan naturalmente un detenido análisis técnico. La profundidad de cada mejoramiento debe determinarse en base a un modelo del esfuerzo – deformación, siendo necesario en cada caso determinar la presión transmitida y el esfuerzo resultante en la subrasante. Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott

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En el gráfico siguiente se presenta la variación de la presión debajo de una rueda doble cargada con el eje equivalente de 8.2 tn. aplicando la teoría de Boussinesq.La modelación de la solución inicial basada en esa teoría se muestra en la figura siguiente: GRAFICO DE DISTRIBUCION DE PRESIONES (Teoría de Boussinesq)

D

pi =

5.6 Kg/cm2

r=

15 cm 2

(presión de contacto) (radio del área cargada)

3/2

sv = p1 [1-(1/(1+(r/z) ))

]

2

z (Kg/cm )

0 0 . 0

0 5 . 0

0 0 . 1

0 5 . 1

0 0 . 2

0 5 . 2

0 0 . 3

0 5 . 3

0 0 . 4

0 5 . 4

0 0 . 5

0 5 . 5

0 0 . 6

0

-25

-50

-75

) m C ( d a d i -100 d n u f o r P -125

-150

-175

-200

Los espesores del pavimento de TSB eran: capa de rodadura = 2,0 cm.; capa base = 20 cm. y capa sub-base = 22 cm. lo que suma un espesor total de la estructura del pavimento que alcanzaba los 44 cm. En el gráfico anterior se advierte que las presiones transmitidas desde la superficie (σ0=5,64 kg/cm2), se disipan muy rápidamente. A una profundidad de 44 cm. se tiene una presión media en la subrasante de σ = 0,75 kg./cm2. Esto sería estrictamente válido para una carga estática. Para un vehículo con movimiento dinámico, ciertamente que esta presión será menor. Por tanto, ello significa que la solicitación de carga será disminuida Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott

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a esta profundidad un valor referencial inferior al 12% de la presión de carga aplicada en la superficie del pavimento.

b)

Correlaciones entre el CBR y el Modulo Resiliente

La calidad de las capas que constituyen el pavimento son definidas principalmente a través de los siguientes parámetros: el espesor “h”, el Módulo Resiliente “MR” y el Coeficiente de Poisson “µ”. El Modulo Resiliente (MR) es un parámetro análogo al Módulo de Elasticidad (E) ya que ambos parámetros tienen la misma definición en términos de la Teoría de la Elasticidad. La diferencia conceptual estriba en que el MR se determina en un ensayo con carga dinámica repetida, que simula los efectos del tráfico en el interior de un pavimento. El módulo resiliente conceptualmente es el comportamiento elástico final del suelo. La norma AASHTO T-274 estandariza en laboratorio el ensayo del módulo resiliente. La forma más factible en obra sería a través del ensayo de compresión edométrica, ensayo triaxial dinámico y/o ensayo de placa de carga. En condiciones reales de campo, resulta, de todos modos muy complicado y anti-económico obtener confiablemente estos valores. Es por ello que los módulos resilientes de las diferentes capas que componen el pavimento se estiman por medio de correlaciones indirectas, en su mayor parte a través del ensayo CBR. Como es conocido, este ensayo mide la capacidad de soporte de un suelo para condiciones de suelo estándares y constantes, independientemente del tipo material o de la posición de éste en la conformación de la estructura del pavimento. Por lo tanto, se ha recopilado en toda la bibliografía técnica disponible, la gran mayoría de las correlaciones vigentes para el efecto. Prácticamente la totalidad de las expresiones se basan en la conocida correlación establecida por Heukelom, según la cual: E0 = k CBR

(ecuación 1)

Las expresiones mostradas en la Tabla Nº 1 de la página subsiguiente, ofrecen una amplia gama de resultados, de los cuales los más plausibles y certeros resultaron siendo las ecuaciones de la AASHTO tanto para suelos finos como para suelos granulares. Ellos muestran además una buena correlación con los valores adoptados por la AASHTO para la equivalencia con los coeficientes estructurales, los valores de CBR (Illinois) y los valores “R” del Instituto del Asfalto. Haciendo inferencia de estas aplicaciones a la teoría elástica, se deduce que es posible aplicar a los ensayos de CBR utilizando los resultados de la prueba de carga, asociados a asentamientos característicos de 0.1 pulgada. Para ello, se utiliza la solución que ofrece la teoría elástica para el cálculo del asentamiento que ocurre cuando se tiene una superficie circular rígida cargada sobre un medio semi-infinito.


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La fórmula es la siguiente: Δ = π/2 (1-µ2) pa/E

(ecuación 2)

Donde: Δ= Asentamiento µ = Relación de Poisson p = Presión aplicada a = Radio del área cargada E =Módulo de elasticidad Considerando un asentamiento característico de 0.1 pulgada; un valor de µ=0.40; radio equivalente a un área circular cargada de 3 pulg 2 y la presión aplicada en función del valor CBR, se obtienen los siguientes valores: E = 139.7CBR E en libra/pulg2 E = 9.83CBRE en kg/cm2 Entonces, es posible obtener valores de módulos elásticos E a partir del valor CBR asumiendo un comportamiento del medio como elástico, uniforme e isotrópico.

c) CBR de la Subrasante que requiere mejoramiento El CBR es un ensayo normalizado (ASTM D-1883) y corresponde a un parámetro indicativo de la capacidad de soporte de un suelo. El CBR es la relación (expresada en porcentaje) entre la resistencia a la penetración requerida para que un pistón de 3 pulg 2 de área penetre 0.1 pulgadas dentro de un suelo, entre 1000 psi. que es la resistencia a la penetración de una muestra patrón. La muestra patrón es una piedra chancada. Según las Especificaciones Técnicas, la compactación debe efectuarse a una “humedad óptima”, lo cual en la mayor parte de los casos en esa zona no era posible de efectuar con el material de la propia subrasante, en razón a que los suelos de esa región amazónica se hallaban con un contenido de humedad siempre mayor al óptimo. De ahí que, algunos suelos aun teniendo un CBR superior al de diseño, requieran ser mejorados debido a que por su baja densidad (producto de su elevado contenido de humedad), su capacidad de soporte “in situ” resultaba siendo muy baja. Por tanto, con la finalidad de determinar la capacidad de soporte de los suelos que requerían mejoramiento, se efectuaron ensayos de CBR, para determinar además su humedad óptima. Los resultados obtenidos confirmaron que en todos los casos la humedad natural era muy superior a la humedad óptima. El comportamiento de la subrasante es función de la humedad y densidad, asociada a las condiciones ambientales del sitio. En suelos de baja capacidad portante donde los valores de humedad alcanzan la condición saturada y los valores de densidad de campo están muy por debajo de la densidad de compactación, los valores de los módulos elásticos realmente son muy bajos. Se estudiaron las siguientes correlaciones para determinar en base a los valores de CBR los módulos resilientes correspondientes:


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Tabla Nº 1 : CORRELACIONES ENTRE CBR versus MODULO RESILIENTE CBR 100 40 30 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2

Mr (1)psi

Mr kg/cm2

15000 13500 12000 10500 9000 7500 6000 4500 3000

Mr (2) psi

1034 931 827 724 621 517 414 310 207

(Resultados expresados en psi y kg/cm 2) USACE psi CSIR psi TRRL psi Mr (3) Mr (4) Mr (5) psi kgr/cm2 Mr (6) Coef."a" Mr (psi)

35000 33250 31500 29750 28000 26250 24500 22750 21000 19250

220257 209244 198232 187219 176206 165193 154180 143167 132154 121142

60002 57002 54002 51002 48002 45002 42002 39002 36002 33002

51102 39000 48547 37050 45992 35100 43437 33150 40882 31200 38327 29250 35772 27300 33217 25350 30662 30681 23400 28107 28126 21450

17500 15750 14000 12250 10500 8750 7000 5250 3500

110129 59694 54285 48876 43467 38058 32649 27240 21831

30002 27002 24002 21002 18002 15002 12002 9002 6002

25552 22997 20442 17887 15332 12777 10222 7667 5112

25572 23017 20463 17909 15354 12800 10245 7691 5136

13,201 12,979 12,745 12,497 12,235 11,956 11,658 11,337 10,991 10,614

928 912 896 879 860 841 820 797 773 746

12833 9625 6418 6097 5776 5455 5135 4814 4493 4172 3852

0,120 0,110 0,090

20,000 17,000 15,000 12,500

0,089

11,900

0,084

9,000

0,071 0,050

9,000 7,000

0,050

5,000

19500 17550 15600 13650

Mr(1) = FORMULA Mr = 1500*CBR (psi) AASHTO para suelos finos (CBR < 10) Mr(2) = FORMULA Mr = 1750*CBR (Mpa) Heukelomm y Foster 1960 Para N = 1,9*10^6 ejes equivalentes USACE FORMULA Mr = 5409*CBR*0,711 (psi) US Cuerpo de Ingenieros (USACE) Green y Hall 1975 FORMULA Mr = 3000*CBR^0,65 (psi) Consejo Sur Africano de Investigaciones Científicas e industrialesCSIR TRRL = FORMULA Mr = 2555*CBR^0,64 (psi) Laboratorio de Investigación y Transporte de Carreteras Mr(3) = FORMULA Mr = 176*CBR^0,64 (Mpa) 2


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Por lo tanto, la determinación de la capacidad portante de los suelos subyacentes se efectuó en base a los resultados de los numerosos ensayos CBR realizados; pudiendo ratificarse que el problema radicaba en que la matriz del suelo subyacente (en su mayor parte conformado por limos y arcillas) se encontraba con un elevado contenido de humedad y con bajos índices de consistencia. Los valores de CBR “in situ” de la matriz arcillosa se determinaron en base a la calificación cualitativa y cuantitativa expresada en la siguiente tabla:

Tabla N° 2 CRITERIOS CUANTITATIVOS Y CUALITATIVOS PARA ESTIMAR LA RESISTENCIA DELOS SUELOS PLASTICOS Limites del

Consistencia

Liquida Muy blanda

Ic

Resistencia a la Compresion no confinada ( kg/cm2)

Ic <= 0

0

0,25 > Ic > 0

< 0.25

C.B.R (%)

PDC (mm/Golpe)

N

DESCRIPCION

(Golpes/Pie)

CUALITATIVA

Fase liquida del suelo

< 0.4

<2

Se extruye fuera de los dedos cuando se presiona

Blanda

0,50 > Ic > 0,25

0.25 a 0.50

0.4 - 0.8

2 - 4.

Moldeable con una ligera presion de los dedos

Deformable

0,75 > Ic > 0,50

0.50 a 1.0

0.8 - 1.6

> 66

4 - 8.

Moldeable con una fuerte presion de los dedos

Suave

1,0 > Ic > 0,75

1.0 a 2.0

1.6 - 3.2

66 - 46

8 - 15.

El pulgar lo raya facilmente, pero lo penetra con gran fuerza

Medianamente Dura Dura

wlc > Ic > wlp

2 a 4

3.2 - 6.4

46 - 33

15 - 30.

La uña del dedo pulgar lo raya con facilidad

Ic >= wlc

>4

> 6.4

33 - 23

> 30

La uña del dedo pulgar lo raya con dificultad

Obsérvese que para índices de consistencia menores de 1.0, el valor



Por lo tanto, la determinación de la capacidad portante de los suelos subyacentes se efectuó en base a los resultados de los numerosos ensayos CBR realizados; pudiendo ratificarse que el problema radicaba en que la matriz del suelo subyacente (en su mayor parte conformado por limos y arcillas) se encontraba con un elevado contenido de humedad y con bajos índices de consistencia. Los valores de CBR “in situ” de la matriz arcillosa se determinaron en base a la calificación cualitativa y cuantitativa expresada en la siguiente tabla:

Tabla N° 2 CRITERIOS CUANTITATIVOS Y CUALITATIVOS PARA ESTIMAR LA RESISTENCIA DELOS SUELOS PLASTICOS Limites del

Consistencia

Liquida Muy blanda

Ic

Resistencia a la Compresion no confinada ( kg/cm2)

Ic <= 0

0

0,25 > Ic > 0

< 0.25

C.B.R (%)

PDC (mm/Golpe)

N

DESCRIPCION

(Golpes/Pie)

CUALITATIVA

Fase liquida del suelo

< 0.4

<2

Se extruye fuera de los dedos cuando se presiona

Blanda

0,50 > Ic > 0,25

0.25 a 0.50

0.4 - 0.8

2 - 4.

Moldeable con una ligera presion de los dedos

Deformable

0,75 > Ic > 0,50

0.50 a 1.0

0.8 - 1.6

> 66

4 - 8.

Moldeable con una fuerte presion de los dedos

Suave

1,0 > Ic > 0,75

1.0 a 2.0

1.6 - 3.2

66 - 46

8 - 15.

El pulgar lo raya facilmente, pero lo penetra con gran fuerza

Medianamente Dura Dura

wlc > Ic > wlp

2 a 4

3.2 - 6.4

46 - 33

15 - 30.

La uña del dedo pulgar lo raya con facilidad

Ic >= wlc

>4

> 6.4

33 - 23

> 30

La uña del dedo pulgar lo raya con dificultad

Obsérvese que para índices de consistencia menores de 1.0, el valor máximo del C.B.R. “in situ” era de 3.2 %, lo cual ratifica la necesidad de ejecutar los mejoramientos de subrasantes, toda vez que los índices de consistencia determinados en los ensayos son menores de 1.0.

3.-

TRABAJOS Y EXPERIENCIAS REALIZADAS

3.1.- ENSAYOS DEFLECTOMETRICOSCON LA VIGA BENKELMAN 3.1.1.- Determinación según la teoría de Ahlvin y Ulery A objeto de determinar el umbral a partir del cual resultan absolutamente necesarios realizar mejoramientos de la capacidad portante de la subrasante; se realizaron ensayos deflectométricos con Viga Benkelman (VB). Para la determinación teórica de la magnitud de las deflexiones, se utilizaron las fórmulas desarrolladas por los investigadores Ahlvin y Ulery (ver el Anexo Nº 1) para determinar las deflexiones verticales bajo un área circular cargada, que en este caso viene a ser el área proyectada de una llanta de camión con 80 psi de presión (equivalente a 5,64 kg/cm 2), que corresponde a la presión ejercida por un eje normal equivalente. La determinación de la magnitud de las deflexiones en la subrasante, como resultado de la solicitación de cargas aplicadas por un eje equivalente de 8.2 toneladas, se efectuó a través de ensayos deflectométricos con la aplicación de la VB directamente sobre la subrasante para el registro de las deflexiones resultantes. Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott

13



Según los autores aludidos; la fórmula general de la deflexión vertical es la siguiente: Δ = p ( 1 + μ) a [ z/a * A + (1 – μ) H ] (ecuación 3) E2 Donde: Δ = p= a= μ = E2= z=

Deflexión:(10^-2 mm). Presión de inflado de la llanta (5.64kg/cm2). Radio de contacto (10.79 cm.) Módulo de Poisson. 0.45 (adimensional). Módulo resiliente del terreno de fundación. Profundidad de evaluación de los esfuerzos de compresión.

Aplicando los valores establecidos a la ecuación 3; para profundidad z=0 resultan A=1.00 y H = 2.00, por tanto se tiene lo siguiente:

Tabla N° 3 DETERMINACION TEORICA DE DEFLEXIONES SEGUN LA FORMULA PROPUESTA POR AHLVIN Y ULERY

CBR

p(kg/cm2)

E1 (psi)

Poisson (µ)

a(cm.)

Δ (1/100 mm)

9

5.64

13,500

0.45

10.79

102

8

5.64

12,000

0.45

10.79

115

7

5.64

10,500

0.45

10.79

131

6

5.64

9,000

0.45

10.79

153

5

5.64

7,500

0.45

10.79

184

4

5.64

6,000

0.45

10.79

230

3

5.64

4,500

0.45

10.79

307

Se puede evidenciar que las deflexiones del suelo natural de fundación son del orden de 102 1/100mm. para un CBR de 9 % y estas deflexiones se van incrementando a medida que el CBR va disminuyendo.

3.1.2.- Calibración del modelo teórico con los mejoramientos realizados Las deflexiones máximas admisibles en cada capa del pavimento fueron determinadas mediante la aplicación del Modelo “Ecoroute” desarrollada en la Ecole nationale des ponts et chaussées” de París-Francia. Las deflexiones máximas admisibles para cumplir con las exigencias del tráfico proyectado eran las siguientes: Deflexión sobre la capa base = 71 1/100 mm. Deflexión sobre la capa sub-base = 84 1/100 mm. Sobre la capa subrasante mejorada = 92 1/100 mm. Por tanto, resultaba necesario proceder a calibrar el modelo teórico del numeral anterior, aplicando la teoría de Burmister, desarrollada para esfuerzos en doble capa. Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott

14



A continuación se muestra el ábaco de curvas de Burmister para la determinación de las deflexiones resultantes en dos capas con módulos resilientes diferentes (E1/E2):

La calibración fue realizada aplicando los resultados de la formula teórica a las deflexiones realmente registradas para espesores entre 40 y 70 cm., por ser las más representativas de los mejoramientos realizados. Según Burmister; la fórmula de la deflexión vertical es la siguiente: Δ = 1.5 * [(p* a)/E2]*F2

(ecuación 4)

Donde: Δ = p= a= E2 = F2 =

Deflexión: (10^-2 mm). Presión de inflado de la llanta (5.64 kg/cm ). Radio de contacto (10.79 cm). Módulo resiliente del terreno natural de fundación. Factor resultante de los módulos resilientes y z/a

Para la determinación de F2 se utilizaron los módulos resilientes del material de mejoramiento vs. el material del suelo natural de fundación E2. Por tanto, para la resolución de la ecuación 4 se consideró lo siguiente: E1 = Modulo resiliente del material de mejoramiento = 17.000 psi. E2/E1 = Relación adimensional de módulos resilientes. z = Profundidad de evaluación de los esfuerzos de compresión.

Tabla N° 4 CALIBRACION CON VB DE LOS PARAMETROS PARA MEJORAMIENTOS DE 40 Y 70 CM. EN SUBRASANTES CBRmejoram.

Mr (psi)

E1 (Kg/cm2)

E2/E1

z (cm)

z/a

F2

40%

17,000

1,195

0.434

40

3.71

0.49

1.40

40%

17,000

1,195

0.390

70

6.49

0.47

1.31


"k" de ajuste

15



3.1.3.- Sistematización de las Investigaciones de Campo realizadas a) Marco conceptual En los trabajos de evaluación de la capacidad portante de subrasantes, tradicionalmente se ha recurrido mediante la auscultación con calicatas, a la toma de muestras para su ensayo en laboratorio y al análisis de cada uno de sus estratos componentes por separado, para establecer las características estructurales del mismo. Esta metodología es cara, lenta, disturba las propiedades singenéticas del suelo y es por ello que se la considera como "destructiva". Es por ello que se ha optado reemplazarla por deflectometría con VB ya que la alternativa aplicada es "no destructiva" y se basa en los relevamientos deflectométricos de campo y la posterior interpretación de las deflexiones registradas en gabinete. Las deflexiones reflejan una respuesta integral del suelo bajo un eje estándar de 80 kN. Su medición es simple, rápida, económica y sobre todo es "no destructiva", es decir, no se altera el equilibrio ni la integridad del sistema. La metodología no destructiva se fundamenta en que la forma y dimensión de las curvas de deflexiones encierran una valiosa información acerca de las características estructurales de la subrasante. Para interpretar los datos se compara con un modelo matemático como por ejemplo el modelo de Hogg-Burmister en la evaluación estructural de pavimentos. De hecho, este modelo es también una correlación establecida entre las propiedades medidas y los parámetros elásticos de un sistema suelo-pavimento. La metodología de evaluación estructural, por métodos no destructivos, se puede considerar como un proceso de control invertido ya que utiliza la respuesta del sistema (deflexiones) para definir sus características estructurales, lo cual es opuesto a un proceso normal de diseño. Otra característica de la metodología de evaluación no destructiva con VB es que, por constituir la "muestra de ensayo" el suelo mismo, éste ofrece el fiel reflejo de la compleja interacción entre sus componentes. En consecuencia, una vez realizados los relevamientos deflectométricos con VB, pueden usarse como datos de insumo para establecer las necesidades de refuerzo de la subrasante.

b) Tratamiento estadístico de los mejoramientos realizados Con la finalidad de caracterizar los parámetros físico-mecánicos de los suelos donde se optó por una subrasante mejorada, se tabularon los datos más representativos de calidad de las subrasantes que fueron objeto de mejoramiento en espesores de 0.40 y 0.70 m. En las tablas 5 y 6 de las páginas siguientes se muestran los datos correspondientes al tramo de prueba de 560 metros entre las progresivas km. 324+570 al km. 325+130 del Tramo 3. En estas tablas se registran los datos de los ensayos deflectométricos realizados antes del mejoramiento, y que luego se confrontan con los ensayos deflectométricos efectuados después de haber realizado los mejoramientos aludidos.


16



Tabla Nº 5

ENSAYOS DEFLECTOMETRICOS ANTES DE MEJORAR LA SUBRASANTE Datos de relevamientos de campo : CM.

Nº

Progr.

R

R5

L0

E0

CBR

RADIO DE

h= mejorada

D100

(cm)

(cm)

(cm)

(kg/cm2)

(%)

CURVATURA

cm

Deflexiones (0.01 mm.)

Lado

(km)

Parámetros de Evaluación : GFT

D0

D25

D50

D75

1

324+570

LD

288

168

56

20

4

30.4

30.4

14.8

156.8

1.6

26

0.70

2

324+580

LD

828

428

60

24

12

26.0

26.0

11.7

58.7

0.6

8

0.70

3 1

324+590 324+740

LD LD

556 3156

296 1508

244 1032

208 628

176 272

33.7 23.9

33.7 23.9

17.0 10.2

75.9 15.5

0.8 0.2

12 2

0.70 0.70

2

324+760

LD

2520

1240

852

568

412

24.6

24.6

10.8

19.5

0.2

2

0.70

3

324+780

LD

280

140

40

24

12

25.0

25.0

11.1

174.8

1.7

22

0.70

4

324+800

LD

296

196

60

20

8

33.8

33.8

17.1

142.0

1.4

31

0.70

1

324+750

LD

516

204

60

16

4

20.7

20.7

7.0

70.6

0.7

10

0.70

2 3

324+770 324+790

LD LD

852 332

452 152

44 28

24 8

16 4

26.6 23.1

26.6 23.1

12.2 9.5

56.6 145.8

0.6 1.5

8 17

0.70 0.70

1

324+950

LD

588

260

204

140

92

22.4

22.4

9.0

80.6

0.8

10

0.70

2 3

324+970 324+990

LD LD

272 464

132 224

108 124

92 80

52 44

24.3 24.2

24.3 24.2

10.5 10.4

180.2 105.6

1.8 1.1

22 13

0.70 0.70

4

325+010

LD

184

104

20

8

4

28.6

28.6

13.6

253.9

2.5

39

0.50

5

325+030

LD

140

80

56

48

24

35.4

35.4

18.1

290.4

2.9

52

0.50

1

325+040

LD

328

148

104

72

32

22.8

22.8

9.3

146.5

1.5

17

0.40

2

325+060

LD

404

168

132

80

24

21.4

21.4

8.0

108.5

1.1

13

0.40

3

325+080

LD

280

164

140

96

36

50.0

50.0

27.4

109.4

1.1

27

0.40

4

325+100

LD

314

138

78

54

22

22.3

22.3

8.9

150.2

1.5

18

0.40

5

325+120

LD

2708

1152

848

668

360

21.8

21.8

8.4

16.8

0.2

2

0.70

6 1

325+140 324+950

LD LD

632 1832

332 1172

300 604

252 132

168 32

37.5 36.3

37.5 36.3

19.5 18.7

61.6 21.8

0.6 0.2

10 5

0.70 0.70

2

324+970

LD

1636

1112

876

612

448

55.5

55.5

30.9

17.1

0.2

6

0.70

3

324+990

LD

500

228

120

40

8

23.0

23.0

9.5

96.6

1.0

11

0.70

4

325+010

LD

2324

1124

788

460

48

24.2

24.2

10.5

21.1

0.2

3

0.70

5

325+030

LD

2096

816

396

268

208

20.5

20.5

6.4

13.2

0.1

2

0.70

6 7

325+050 325+070

LD LD

768 428

448 168

308 64

272 28

200 20

36.4 20.6

36.4 20.6

18.8 6.8

51.8 79.6

0.5 0.8

10 12

0.70 0.70

8

325+090

LD

436

192

84

60

36

22.3

22.3

8.9

108.4

1.1

13

0.70

9 10

325+110 325+130

LD LD

1120 1200

528 480

380 388

276 300

104 64

23.6 20.8

23.6 20.8

10.0 7.3

43.6 32.5

0.4 0.3

5 4

0.70 0.70

CBR'S vs D0

2000

B1000 V 0 0.0

0.5

1.0

1.5

CBR's (%)

2.0

2.5

3.0

2.5

3.0

Series1

) 0.80 o t n e i m . a r m o j e0.30 M 0.0 ( h

ALTURA DE MEJORAMIENTO

0.5

1.0

1.5

CBR's (%)

2.0

Series1


17



Tabla Nº 6

ENSAYOS DEFLECTOMETRICOS EN TRAMO DE SUBRASANTE MEJORADA Datos de relevamientos de campo : CM.

Nº

Progr.

Lado

(km)

Parametros de Evaluación : Lab. GFT

Deflexiones (0.01 mm.)

R

R5

L0

D0

D25 D50 D75 D100

(cm)

(cm) (cm)

E0

CBR

RADIO DE

h= mejorada

(kg/cm2)

(%)

CURVATURA

cm

1

324+570

Der

48

36

28

20

12

62.5

62.5

35.3

522.8

5.2

260

0.70

2

324+580

Der

56

48

34

28

24

75.0

75.0

43.1

378.7

3.8

391

0.70

3

324+590

Der

72

60

46

36

28

75.0

75.0

43.1

294.5

2.9

260

0.70

1

324+740

Der

108

76

36

28

20

38.8

38.8

20.3

351.3

3.5

98

0.70

2

324+760

Der

148

108

80

40

20

53.8

53.8

29.8

194.3

1.9

78

0.70

3

324+780

Der

84

64

32

16

8

42.2

42.2

22.5

421.6

4.2

156

0.70

4

324+800

Der

60

40

24

12

10

40.6

40.6

21.5

608.8

6.1

156

0.70

1

324+740

Izq

80

60

48

36

28

66.7

66.7

37.9

295.7

3.0

156

0.70

2

324+760

Izq

84

68

32

16

8

43.1

43.1

23.0

414.5

4.1

195

0.70

3

324+780

Izq

76

64

32

20

16

45.3

45.3

24.4

438.9

4.4

260

0.70

1

324+950

Izq

72

60

32

16

8

46.4

46.4

25.2

453.8

4.5

260

0.70

2

324+970

Izq

76

60

44

32

16

62.5

62.5

35.3

330.2

3.3

195

0.70

3

324+990

Izq

60

44

20

12

8

39.6

39.6

20.8

621.7

6.2

195

0.70

4

325+010

Izq

68

52

36

16

8

52.5

52.5

29.0

431.7

4.3

195

0.50

5

325+030

Izq

60

48

28

12

4

47.5

47.5

25.8

534.0

5.3

260

0.50

1

325+040

Izq

72

60

44

20

8

58.3

58.3

32.7

371.1

3.7

260

0.40

2

325+060

Izq

52

44

28

16

12

54.2

54.2

30.0

549.1

5.5

391

0.40

3

325+080

Izq

60

52

36

20

12

59.4

59.4

33.3

438.2

4.4

391

0.40

4

325+100

Izq

48

36

20

12

4

43.8

43.8

23.5

715.8

7.2

260

0.40

5

325+120

Izq

52

40

20

8

4

42.5

42.5

22.7

676.9

6.8

260

0.70

6

325+140

Izq

56

44

28

16

8

50.0

50.0

27.4

547.2

5.5

260

0.70

1

324+950

Der

44

36

24

16

12

56.3

56.3

31.3

627.4

6.3

391

0.70

2

324+970

Der

60

40

20

12

10

37.5

37.5

19.5

648.7

6.5

156

0.70

3

324+990

Der

44

36

20

12

8

46.9

46.9

25.4

736.5

7.4

391

0.70

4

325+010

Der

56

44

32

20

12

58.3

58.3

32.7

477.1

4.8

260

0.70

5

325+030

Der

92

64

32

20

12

39.1

39.1

20.5

409.7

4.1

112

0.70

6

325+050

Der

72

52

36

24

20

50.0

50.0

27.4

425.6

4.3

156

0.70

7

325+070

Der

60

48

32

20

12

54.2

54.2

30.0

475.9

4.8

260

0.70

8

325+090

Der

76

68

44

24

16

57.5

57.5

32.1

356.1

3.6

391

0.70

9

325+110

Der

68

60

40

24

16

59.4

59.4

33.3

386.7

3.9

391

0.70

10

325+130

Der

60

48

32

20

12

54.2

54.2

30.0

475.9

4.8

260

0.70

h= 40 cm Lmedia

h = 70 cm. 58.0

Lmedia

52.8

160 140 120 100 B80 V 60 40 20 1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

CBR's (%) Series1


18



3.2.- CARACTERIZACION DE LAS SUBRASANTES MEJORADAS Adicionalmente a las deflexiones registradas para los mejoramientos ya realizados, esa información deflectométrica resultó muy valiosa no solo para la calibración de las deflexiones en obra, sino también fundamentalmente han servido para correlacionar las resiliencias obtenidas mediante la Viga Benkelman (Eo) con los CBR’s y los espesores de mejoramiento en la subrasante. Habiéndose realizado los ensayos de laboratorio a las muestras provenientes de la subrasante mejorada, a partir de este sector representativo se pudo establecer lo siguiente: a) Como es natural para este tipo de suelos, el límite líquido casi en todos los casos era mayor que la humedad natural. El hecho más importante es que la humedad natural era muy cercana o inclusive llegaba a igualarse al límite líquido (ver el gráfico siguiente).En tales condiciones, es obvio que resultaba imposible poder alcanzar el grado de compactación exigido en las Especificaciones Técnicas.

55.0

45.0

) % ( D A D E M U H

35.0

25.0

15.0

5.0 0 0 5 + 0 0 3

0 0 0 + 1 0 3

0 0 5 + 1 0 3

Limite Liquido

0 0 0 + 2 0 3

0 0 5 + 2 0 3

Limite Plastico

0 0 0 + 3 0 3

0 0 5 + 3 0 3

0 0 0 + 4 0 3

0 0 5 + 4 0 3

0 0 0 + 5 0 3

Humedad Natural

0 0 5 + 5 0 3

0 0 0 + 6 0 3

0 0 5 + 6 0 3

0 0 0 + 7 0 3

0 0 5 + 7 0 3

0 0 0 + 8 0 3

PROGRESIVA (m)

b) La densidad natural de los suelos era baja como consecuencia de su elevado contenido de humedad, en tales condiciones su capacidad de soporte (CBR) resultaba naturalmente baja (ver el gráfico siguiente).


19



c) Los índices de consistencia de los suelos correspondientes a su matriz limo-arcillosa eran en su gran mayoría menores a 0.70 (ver el gráfico siguiente), al que, naturalmente correspondían valores muy bajos de CBR.

4.-


4.1.- ALTERNATIVAS GENERICAS DE MEJORAMIENTO Dentro de las posibles alternativas genéricas de mejoramiento de subrasantes, para las condiciones de esa obra, se podían considerar someramente las siguientes: a. Disminución del contenido de humedad del suelo natural. b. Estabilización química (utilizando cal o cemento). c. Uso de geosintéticos (principalmente geomallas). d. Reemplazo de material (estabilización mecánica). En el siguiente cuadro se resumen las ventajas y desventajas de cada una de las alternativas consideradas:

Tabla N° 7 ALTERNATIVAS GENERALES DE MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES NO COMPETENTES

Alternativa

Disminución del contenido de humedad

Ventajas

Desventajas

Si el C.B.R. era ≥ 9%, podría resultar más económico, al no ser estrictamente necesario su reemplazo.

Requiere tiempo considerable para el secado, lo que afecta el ritmo de avance de los trabajos, además resulta riesgoso pues se tendrían trechos abiertos expuestos a los cambios climáticos de una región muy lluviosa.


20



Estabilización química (cal o cemento)

Se logra un ahorro al evitar el transporte de material de mejoramiento.

Costo antieconómico; además de que el avance es lento debido a que debe trabajarse con equipamiento especial.

Uso de Geosintéticos (geomalla)

Menor o nulo espesor de transporte de material de mejoramiento.

La solución resultaba más antieconómica que la anterior, además de que no se tenía previsto este insumo.

Rápido y económico Reemplazo debido a la de material disponibilidad de (estabilización material granular en la mecánica) región.

Prácticamente ninguna.

De esta rápida comparación, ‒ que habitualmente se repite en casi todo tipo de obras de esta naturaleza ‒ resulta claro que la estabilización mecánica mediante el reemplazo del material no competente por otro de mejores características, resulta la más conveniente, tanto en términos económicos como en términos de ejecución de obra.

4.2.- MEJORAMIENTO DE SUBRASANTE EN FUNCION A CORRELACION DEFLECTOMETRICA 4.2.1. Trabajos previos de Estabilización Química en el Tramo 2I de Conirsa El paquete estructural del pavimento correspondiente al Tramo 2 de Conirsa (entre Iñapari-Puente Inambari) fue conceptualizado en base a estabilización química mediante capa sub-base de suelo-cal y capa base de suelo-cemento. Este diseño fue realizado fundamentalmente debido a la escasez de materiales granulares en toda esa región amazónica. El consultor de apoyo de ese proyecto Ing. Rodrigo Vasconcellos (ver el Anexo 2); luego del estudio realizado al respecto, presentó octubre de 2007 un reporte titulado “Metodología alternativa de aprovechamiento del soporte existente con la evaluación estructural previa del pavimento en las condiciones actuales”. En ese trabajo se determinaron los espesores necesarios de reemplazo localizado con suelo de CBR mínimo de 30% e incorporación de cal al 2% en peso en diferentes espesores de estabilización química, para bajar la deflexión al valor admisible de 107 1/100 mm. Si bien esa solución era aplicable a esa región por la carencia de materiales granulares, sin embargo es necesario admitir que tal procedimiento es completamente singular y atípico ya que su práctica no resulta replicable en regiones donde los mejoramientos en su mayor parte pueden y suelen realizarse con suelos granulares.


21



La metodología de los espesores de mejoramientos realizados en función a las deflexiones máximas de ese proyecto se muestra en el siguiente cuadro:

Tabla N° 8 ACCIONES CORRECTIVAS PROPUESTAS EN BASE A LA CAPACIDAD ESTRUCTURAL DE LA SUBRASANTE EXISTENTE Rango de Deflexiones Características

D0

Característico <=

107 mm/100

Espesor Requerido de Tratamiento con 2% de cal

Acciones a Ejecutar para la Continuidad de la Obra

0,0 cm

Ejecutar la Subbase

108 mm/100 < D0

Característico<

= 120 mm/100

23 cm

Tratar 23 cm del suelo local con 2% de cal y ejecutar la subbase

120 mm/100 < D0

Característico<

= 135 mm/100

29 cm

Tratar 29 cm del suelo local con 2% de cal y ejecutar la subbase

34 cm

Tratar 19 cm del suelo local con 2% de cal y elevar la rasante en 15 cm con material de CBR >=30% y ejecutar la subbase

42 cm


50 cm


57 cm

Reemplazo del Material con 57 cm de Espesor ó elevación de la rasante en 57 cm con material de CBR >= 30%

135 mm/100 < D0

Característico<

= 150 mm/100

150 mm/100 < D0

Característico<

175 mm/100 < D0

Característico< = 200 mm/100

D0

= 175 mm/100

Característico > 200 mm/100

Como se reportó anteriormente, las acciones correctivas propuestas se realizaban luego de evidenciar mediante la VB la inestabilidad de algún estrato subyacente, y seguidamente se procedía con el mejoramiento en base a la incorporación de cal al 2% en los espesores arriba indicados. Adicionalmente, su validez fue objeto de estricto monitoreo mediante las verificaciones de campo y como resultado de esa calibración, se afinó el procedimiento constructivo, de tal modo que sea aplicable a zonas similares que requieran mejoramiento con estabilización química.

4.2.2. Investigación analítica entre Viga Benkelman y CBR Aplicando la fórmula de Burmister, se han realizado cálculos para las deflexiones teóricas previsibles entre dos capas en la interfase del sistema suelo-pavimento: la primera con espesores variables de material de mejoramiento con CBR mínimo de 30% y la capa subyacente del suelo natural con CBR variable desde 3% hasta 10%. Como resultado de estos cálculos, se calcularon analíticamente los espesores necesarios de refuerzo para obtener en cada caso una deflexión máxima admisible de 92 1/100 mm. a nivel de la subrasante mejorada. Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott

22



Tal como se explicó en el numeral 3.1.2, recordemos que la fórmula de la deflexión vertical para dos capas que fuera propuesta por Burmister es la siguiente: Δ = 1.5 * [(p* a)/E2]*F2

(ecuación 3)

Donde: Δ = p= a= E2 = F2 =

Deflexión: (10^-2 mm). Presión de inflado de la llanta (5.64 kg/cm ). Radio de contacto (10.79 cm). Módulo resiliente del terreno de fundación. Factor resultante de los módulos Resiliente y z/a

En la resolución de la ecuación anterior se consideró lo siguiente: E1 = Modulo resiliente del material de mejoramiento. CBRmejoram. = 30% E1 = 15,000 psi. = 1055 kg/cm2 Con estos datos, se verificó en cada caso que la solución de mejoramiento a través de la incorporación de material con CBR min. del 30% verifique que la deflexión resulte la máxima esperada, aplicando los coeficientes de ajuste determinados en las pruebas de calibración previamente realizadas. Los resultados se muestran en la Tabla Nº 9. De este modo se llegó a una propuesta de espesores de mejoramiento en base a la determinación previa de la deflexión máxima admisible en subrasantes con CBR inferior al 10%.

Tabla N° 9 MEJORAMIENTO SISTEMATIZADO DE SUBRASANTE NO COMPETENTE MEDIANTE REEMPLAZO DE MATERIAL CBRsuelo

Mr (psi)

E1(Kg/cm2

E2

(kg/cm2)

a (cm)

)

(Kg/cm2)

3%

5.64

10.79

4,410

1,055

4%

5.64

10.79

6,005

5%

5.64

10.79

6%

5.64

7%

natural de fundación

p

Espesor min. de mejoram. (cm)

E2/E1

F2

310

0.29

0.31

70

1,055

414

0.39

0.42

65

7,499

1,055

517

0.49

0.52

60

10.79

9,008

1,055

621

0.59

0.62

55

5.64

10.79

10,502

1,055

724

0.69

0.73

35

8%

5.64

10.79

11,996

1,055

827

0.78

0.82

30

9%

5.64

10.79

13,504

1,055

931

0.88

0.93

10

10%

5.64

10.79

15,000

1,055

1,034

0.98

1.00

0


23



4.2.3. Correlación existente entre espesores de mejoramiento y CBR A partir de los valores encontrados en la Tabla Nº 9, se procedió a la graficación de los valores correspondientes a los diferentes CBR’s en el rango de 3% al 10% con respecto a los diferentes valores de espesores de mejoramiento realizados y la aplicación de las deflexiones teóricas esperadas. Estas deflexiones luego fueron ajustadas mediante la aplicación de los coeficientes de ajuste encontrados en la calibración de las deflexiones de obra (Tabla Nº 4). De este modo, con la incorporación del material de mejoramiento de un CBR no menor al 30%, se garantizaba que las deflexiones no puedan exceder a las deflexiones máximas permisibles a nivel de la subrasante del pavimento. La correlación realizada se muestra en la Tabla Nº 10 de la siguiente página. Para efectos prácticos se expresó mediante una regresión lineal cuya ecuación es la siguiente: y = -10.417x + 108.33 En base a los datos que arrojaba esta regresión, se pudieron determinar inequívocamente los espesores de mejoramiento correspondientes.

4.2.4. Procedimiento de correlación de deflexiones de subrasante natural

con espesores variables de material incorporado con CBRmin. de 30%

Los procedimientos anteriormente descritos acerca de las correlaciones existentes entre los CBR’s de subrasantes con baja capacidad portante y las deflexiones correspondientes al suelo natural de fundación subyacente a la estructura del pavimento, pudieron ser sistematizados a través de la determinación de espesores de material de mejoramiento con un CBR no menor al 30% debidamente sustentados en previas pruebas de calibración y deflexiones máximas registradas en ese tramo de prueba. La metodología teórica anteriormente descrita proporcionaba espesores en estricta correspondencia con los valores introducidos. Así por ejemplo, los valores resultantes en los extremos de la regresión lineal de la Tabla Nº 10 eran los siguientes: Para un CBR = 3% → espesor resultante h = 77.08 cm. Para un CBR = 10% → espesor resultante h = 4.16 cm. Naturalmente que no era posible aplicar estos valores así discretizados en la ejecución de obra, considerando que una aproximación al centímetro ya es bastante exigente para los propósitos que se persiguen. Considerando las incertidumbres implícitamente presentes en toda innovación de ejecución, se tomaron valores redondeados que puedan resultar prácticos en la ejecución de los mejoramientos de subrasantes. De este modo, se aplicó la Tabla Nº 11 que se muestra en la página subsiguiente.


24


Invest igación Profes ion al

Tabla Nº 10 Grafico para espesores de subrasante mejorada CBR %

Mejoramiento ( cm)

3 4 5 6 7 8 9 10

80 65 60 55 35 30 10 0

80

70

y = -10.417x + 108.33

60 ) m50 c ( h e 40 d r o s e 30 p s E 20

10

0

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

C.B.R (%)

NOTA

Este gráfico fue elaborado a partir de la calibración de la Teoría de Burmister para doble capa con espesores de material de mejoramiento para un CBR mínimo de 30%



25


Tabla Nº 11 ESPESORES DE MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES DE BAJA CAPACIDAD PORTANTE VALORES DE CBR (%)

RANGO DE DEFLEXIONES CARACTERISTICAS

Espesor requerido de Subrasante mejorada

Acciones definidas para garantizar la deflexión máxima

3

D0característico> 200 mm/ 100

80 cm.

Mejorar la subrasante con 80 cm. CBR>30%

4

185 mm/100 < D 0característico<= 200 mm/ 100

65 cm.


5

165 mm/100
60 cm.


6

145 mm/100 < D0 característico<= 165 mm/ 100

55 cm.


7


35 cm.


8


20 cm.


9

90 mm/100 < D 0 característico<= 105 mm/ 100

10 cm.


10

D0característico<= 90 mm/ 100

5cm.



26



Tabla Nº 11 ESPESORES DE MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES DE BAJA CAPACIDAD PORTANTE VALORES DE CBR (%)

RANGO DE DEFLEXIONES CARACTERISTICAS

Espesor requerido de Subrasante mejorada

Acciones definidas para garantizar la deflexión máxima

3

D0característico> 200 mm/ 100

80 cm.


4


65 cm.


5

165 mm/100
60 cm.


6

145 mm/100 < D0 característico<= 165 mm/ 100

55 cm.


7


35 cm.


8


20 cm.


9

90 mm/100 < D 0 característico<= 105 mm/ 100

10 cm.


10

D0característico<= 90 mm/ 100

5cm.




5.-

26


CONCLUSIONES De acuerdo a los análisis efectuados y los resultados obtenidos, se puede concluir válidamente lo siguiente: Para que la estructura de un pavimento se comporte adecuadamente y cumpla el período de diseño, a nivel de subrasante registrará una deflexión no mayor de 2.0 mm. para cargas estáticas transmitidas por un eje estándar de 80 kN. Esta deflexión máxima, bajo carga estática, puede ser medida con a Viga Benkelman. Esto significa que para

deflexiones mayores, se deberá proceder con el mejoramiento de la subrasante.

En apoyo de esta primera conclusión, por ejemplo, los reglamentos viales estatales en EE.UU. recomiendan que el valor CBR de la subrasante natural del suelo de fundación deba ser como mínimo entre 8 a 10%. Caso contrario, se estipula primero estabilizar el suelo natural subyacente antes de construir la estructura del pavimento. En general, en los trabajos de explanaciones, los mejoramientos de subrasante resultan casi inevitables en sectores puntuales con déficit de resistencia del suelo. El mejoramiento se efectúa fundamentalmente en base a las condiciones reales en las que se encuentra el suelo natural de fundación.


5.-


CONCLUSIONES De acuerdo a los análisis efectuados y los resultados obtenidos, se puede concluir válidamente lo siguiente: Para que la estructura de un pavimento se comporte adecuadamente y cumpla el período de diseño, a nivel de subrasante registrará una deflexión no mayor de 2.0 mm. para cargas estáticas transmitidas por un eje estándar de 80 kN. Esta deflexión máxima, bajo carga estática, puede ser medida con a Viga Benkelman. Esto significa que para

deflexiones mayores, se deberá proceder con el mejoramiento de la subrasante.

En apoyo de esta primera conclusión, por ejemplo, los reglamentos viales estatales en EE.UU. recomiendan que el valor CBR de la subrasante natural del suelo de fundación deba ser como mínimo entre 8 a 10%. Caso contrario, se estipula primero estabilizar el suelo natural subyacente antes de construir la estructura del pavimento. En general, en los trabajos de explanaciones, los mejoramientos de subrasante resultan casi inevitables en sectores puntuales con déficit de resistencia del suelo. El mejoramiento se efectúa fundamentalmente en base a las condiciones reales en las que se encuentra el suelo natural de fundación. De todas las alternativas factibles para efectuar el mejoramiento de subrasantes, la más económica resulta incuestionablemente el reemplazo del material inadecuado, especialmente en las regiones donde se tiene disponibilidad de este tipo de material a un costo relativamente económico. Considerando la imposibilidad técnica de compactar materiales sobre suelos con CBR’s deficitarios, la capa de mejoramiento de la subrasante debe conformarse ‒según las experiencias realizadas‒ con materiales provenientes de canteras que tengan un CBR igual o mayoral 30%. Los cálculos teóricos para las correlaciones fueron efectuados siguiendo el modelo de Burmister para doble capa y, los resultados obtenidos han

permitido definir nítidamente la profundidad y consecuentemente el espesor necesario para lograr cada mejoramiento.

La metodología aplicada resumidamente fue la siguiente: en base a una apreciable cantidad de ensayos de CBR realizados como parte del procedimiento rutinario en los trabajos de campo, se realizaron sus ensayos deflectométricos respectivos con VB, de tal modo que sirvió a dos propósitos: a) calibrar las deflexiones para espesores conocidos de 0,40 y 0,70 m. de espesores de mejoramiento de subrasante y, b) realizar el tratamiento estadístico con los módulos resilientes y los CBR’s inferidos.


27



Es conocido que existen dos enfoques para el análisis del cálculo inverso para identificar las propiedades de los materiales. El retro análisis inverso y el retro análisis directo. El retro análisis inverso adopta un “criterio de error de ecuación” que minimiza los errores de la ecuación de respuesta para estimar las deflexiones. El retro análisis directo es una aproximación basada en minimizar el “error de salidas de resultados”, por ejemplo la diferencia entre deflexiones medidas y calculadas. Precisamente, se ha acudido a este último enfoque para plantear un modelo sencillo ya que tiene la cualidad de clarificar y nos ayuda a resolver el funcionamiento del sistema cuando la presión ejercida por las ruedas es tan alta que no puede ser soportada por el suelo subyacente. Como la estructura del pavimento reparte la carga para llevarla lo más mitigadamente posible a la subrasante, entonces la solución al problema consistió en determinar el espesor que logre disipar la cantidad de esfuerzo transmitido. Académicamente, se conoce que la reología de los materiales revela que su comportamiento es ciertamente viscoelástico, en función del estado de esfuerzos, tiempo de aplicación de las cargas y de la temperatura. De la misma forma, se admite que sus materiales granulares constituyentes responden a las cargas, en función a su densidad y humedad y, se sabe que su comportamiento tampoco es lineal ya que depende en gran medida de las características del suelo natural subyacente. Sin embargo, por simplicidad de método, para la aplicación de esta metodología, se asume un comportamiento lineal entre los esfuerzos y deformaciones, por lo que tácitamente se acepta que esos materiales trabajan dentro de su rango elástico.

6.-

POSIBILIDADES DE APLICACION En la construcción de carreteras, habitualmente los métodos de mejoramiento de subrasantes, son en su mayoría empíricos; es decir, que la experiencia previa del Ingeniero juega un rol muy importante. Se requiere contar con ciertos años de práctica probada en este rubro para poder garantizar los resultados de estabilidad del paquete estructural. En las regiones con alta pluviometría, los estratos de suelo natural se presentan generalmente de consistencia blanda por el exceso de humedad, lo cual no permite su compactación hasta alcanzar la densidad deseada. De este hecho, se deduce válidamente que, en los trabajos de explanaciones para subrasantes, ciertos suelos no necesariamente son reemplazados porque se traten de suelos no competentes, sino por su falta de suficiente consistencia debido a la presencia de humedad excesiva. En la mayoría de los casos el exceso de humedad se debe a la presencia de líneas de flujo sub-superficiales no advertidas


28



oportunamente por los estudios geotécnicos. Esto suele ocurrir especialmente durante la formulación del Proyecto, ya que no resulta posible detectar superficialmente todos los sectores puntuales que requerirán mejoramientos, especialmente cuando las prospecciones de suelos se efectuaron en forma masiva y expeditiva. Antes, era práctica común determinar la falta de capacidad portante mediante la realización intensiva de ensayos de CBR. Sin embargo somos conscientes que la realización de estos ensayos exige un tiempo referencial no menor de 4 días solo para la prueba de laboratorio, en el mejor de los casos. A esto se suma el hecho de que al ser un valor determinístico (fijo) que expresa el potencial que tiene el suelo o el material respecto a su resistencia, entonces es un parámetro que debe estar condicionado al completo entendimiento de sus limitaciones y debería ser considerado meramente solo como un valor orientador. Tomando en cuenta todos estos argumentos complementarios, se

concluye nítidamente que las posibilidades de aplicación son inmediatas y con una pequeña dosis de inferencia analítica se puede hacer extensiva a cualquier tipo de suelo y/o proyecto carretero en construcción. Esta investigación viene a llenar una sentida necesidad de los ingenieros de carreteras y sabrá ser adecuadamente apreciado por los colegas concernidos en esta temática.

Sin embargo, es necesario reconocer que a pesar de los esfuerzos desplegados para recopilar el estado actual del conocimiento científico de este rubro, debemos reconocer que los trabajos son aún insuficientes para pensar que se dispone de una suficiente gama de aportes. Entonces, la validez de nuevos ensayos sujetos a evaluaciones de laboratorio y posteriores verificaciones de campo; es una tarea pendiente que podría favorecer nuestro mayor conocimiento del mismo. En ese sentido, se recomienda realizar el mismo tipo de experiencias y metodología que las realizadas para el presente trabajo, a otros tipos de suelos y proyectos viales, para ampliar el universo de experimentos análogos y así poder establecer paralelismos más pertinentes. Tomando en cuenta que los trabajos de la partida de subrasante se efectúan generalmente de una forma masiva, resulta necesario efectuar los trabajos de mejoramiento en una forma rápida, sencilla y eficaz, aplicando esta metodología y validando con los registros de campo, a objeto de inferir la capacidad portante del suelo de fundación mediante deflexiones de VB y definir los espesores de mejoramiento a partir de los criterios expresados según se muestra en la Tabla N° 11. Este método simplificado facilitará en la práctica la rápida verificación, para condiciones reales de campo de los valores de refuerzo de la subrasante a utilizar como una adecuada respuesta en relación a la capacidad resistente de los suelos.


29



Reflexiones finales Existen actualmente una apreciable cantidad de trabajos de correlación realizados entre ciertos métodos convencionales y alternativos tales como el CBR y SPT, cono dinámico y SPT, penetrómetro con anillo de carga vs Proctor/CBR y compactómetro electrónico vs. Proctor y CBR. El método descrito se aboca a contribuir en la solución confiable del mejoramiento de subrasantes en base a correlación entre CBR y ensayos deflectométricos con VB, de tal modo que coadyuve en la celeridad de los trabajos de campo y garantice la solvencia técnica de las respuestas ofrecidas. Naturalmente que en la emulación de otros estudios que se puedan emprender a futuro, sería deseable de contar además con toda la sistematización y el grado de sofisticación que se desee añadirle, para afinar sus resultados. Esto es posible, tomando en cuenta la gran capacidad de las herramientas computacionales actuales, que con una adecuada sistematización de sus registros de campo, se puede mejorar sustantivamente las analogías con otros métodos equivalentes para perfeccionar los vínculos entre las deflexiones y los mejoramientos subsecuentes. Por lo tanto; uno de los desafíos contraídos es desarrollar a futuro modelos de respuesta que puedan describir lo más certeramente posible el comportamiento real de las subrasantes en su interacción con los materiales del pavimento durante su vida de servicio. La continuación de trabajos de investigación así como la identificación y análisis de los diferentes tipos de modelos análogos debería suscitar mucha atención e interés motivados por el gran beneficio potencial de la rapidez de la evaluación y la economía lograda en sus resultados. Así, se podrá llegar con el cálculo directo a un diseño óptimo, lo que conducirá a que se logre una adecuada combinación de espesores que cumplan con el propósito buscado. Las bases están dadas a través de la presentación de estos resultados y solo resta profundizar la validez y confiablidad de esta nueva herramienta desarrollada. Lima, marzo de 2013.


30

ANEXOS

Estudio de Deflectometria

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