MODULO RESILIENTE Caracterización de la Subrasante PRESENTADO POR:
Gina Paulina Barboza Oliveros Freddy Rafael Benavides Ramos Malena Cucunubá Toloza Mauricio Mercado Barros
MÓDULO RESILIENTE
El paso continuo de los vehículos sobre un pavimento somete a esta estructura a un gran número de ciclos de carga y descarga que induce a los diferentes materiales que la componen a un estado de esfuerzos y deformaciones variables, en función de la magnitud de la carga que actúa sobre ella y del tiempo de duración de la misma.
NIVELES DE CONFIABILIDAD EN LA DETERMINACIÓN DEL MÓDULO RESILIENTE NIVEL 1
NIVEL 2
NIVEL 3
• Módulo resiliente determinado en laboratorio.
• Correlaciones típicas asociadas con otras propiedades del material.
• valores típicos representativos encontrados en la literatura según el contenido de humedad óptimo del material analizado.
• Modulo resiliente determinado en campo.
EVOLUCION DEL ENSAYO DE MODULO RESILIENTE
En 1982, la guía de diseño AASHTO implementó dentro de sus investigaciones un procedimiento de prueba de laboratorio para la determinación del módulo resiliente dirigido principalmente al estudio de los suelos de subrasante denominado: AASHTO T 274-82 "Resilient modulus of subgrade soils".
A finales del año 1989, el Comité de Materiales de la AASHTO decidió retirar de sus ensayos estándar de laboratorio la prueba AASHTO T 274-82, por considerar que debía ser revisada con el fin de mejorarla y optimizar su procedimiento de ensayo.
NIVEL 1: MÓDULO RESILIENTE DETERMINADO EN LABORATORIO:
PRUEBAS TRIAXIALES DINÁMICAS (AASHTO 93): Si el material de la capa se supone linealmente elástico, isotrópico y homogéneo, ambos estados se consideran relacionados entre sí a través del Módulo de Young y la Razón de Poisson propios del material. Sin embargo la respuesta real de los materiales utilizados en la construcción de pavimentos y suelo de fundación, muestra que bajo pulsos de carga dinámicos como los inducidos por las ruedas de los vehículos, solo parte de la deformación total generada se recupera al cesar la solicitación aplicada. Esto implica que en estricto rigor este tipo de materiales no presenta un comportamiento elástico. En consideración a este hecho se introduce el concepto de Módulo Resiliente, que se define como aquel que relaciona las tensiones aplicadas y las deformaciones recuperables
Módulo resiliente por AASHTO 93
RESUMEN DEL MÉTODO:
Un esfuerzo desviador axial repetido, de magnitud, duración y frecuencia fijas se aplica a un espécimen cilíndrico de ensayo, debidamente preparado y acondicionado. Durante y entre las aplicaciones del esfuerzo dinámico desviador, el espécimen es sometido a un esfuerzo estático en su contorno, proporcionado por medio de una cámara de presión triaxial. La respuesta a la deformación axial resiliente (recuperable) del espécimen, es medida y empleada para calcular los módulos resilientes dinámicos dependientes del esfuerzo.
Estado de esfuerzos provocados en la subrasante por el paso de un vehículo en movimiento.
PROCEDIMIENTO:
Se coloca una muestra de suelo compactada dentro de una membrana en la cámara triaxial.
Se lleva a una presión de confinamiento (σ3 )
Se aplican pulsos periódicamente de un esfuerzo axial desviador (σd ).
Se miden las deformaciones recuperables (ΔL) que se dan en cierta longitud de la probeta.
Se calcula la deformación triaxial recuperable (��=ΔL/L)
Se halla el módulo resiliente para tal esfuerzo desviador (��=���� (= ).
Se sigue el mismo procedimiento con diferentes esfuerzos axiales desviadores.
Ecuación AASHTO 93
ESFUERZO DESVIADOR: Cuando una probeta cilíndrica de longitud L y diámetro D, se somete a una prueba de compresión Triaxial, será cargada en dos etapas: a. Se aplica la presión completa (alrededor de la muestra) denotada por σ3 (Fig. 5.29),. Esta actúa igualmente en todas las direcciones, así las tensiones radial y axial serán igual a σ3, o ninguna tensión de corte es inducida en la muestra. b. Una carga axial P se aplicará desde afuera de la celda y es progresivamente incrementada. La tensión adicional causada por P, es solamente en la dirección axial y es igual a P/A. Finalmente la tensión axial total, denotada por σ1, es igual a (σ3 + P/A), es decir:
ESFUERZO DESVIADOR: σ1 = σ3 + P/A Esta ecuación puede ser ordenada de la siguiente manera: (σ1 – σ3) = P/A La diferencia de las tensiones principales (σ1 – σ3) se conoce con el nombre de esfuerzo desviador. En una prueba la presión de la celda σ3, es mantenida constante a un valor dado, mientras que la tensión desviadora es gradualmente incrementada. Generalmente la tensión de falla estará representada por el máximo de la tensión de desviación.
DEFORMACIONES RECUPERABLES Y PERMANENTES Bajo el efecto de las cargas vehiculares o cargas cíclicas se producen deformaciones en la masa de suelo, algunas son elásticas o recuperables (resilientes) y otras son permanentes o no plásticas.
MÓDULO RESILIENTE POR AASHTO 93 Cabe anotar que los resultados de módulo resiliente, son influenciados principalmente por tres factores:
Estado de tensiones (esfuerzo confinamiento y esfuerzo desviador)
Tipo de suelo y estructura interparticular (métodos de compactación)
Estado físico del suelo (humedad y densidad)
TIPO DE MATERIAL El ensayo AASHTO reconoce dos tipos de materiales para ser ensayados:
Materiales Tipo 1. Estos materiales también denominados gruesos, incluyen todos aquellos materiales no tratados que cumplen con el siguiente criterio: menos del 70% de material debe pasar el tamiz No 10 y un máximo del 20% puede pasar el tamiz No 200. Estos materiales generalmente son empleados para conformar las capas granulares de las estructuras de pavimento y presentan una clasificación AASTHO iguales a A-1, A-1-b, A-2, o A-3.
Materiales Tipo 2 o también “finos”, incluyen todos aquellos materiales no tratados que no cumplen con el requisito para ser clasificado como material tipo 1, como los suelos A-4, A-5, A-6 y A- 7.
DETERMINACIÓN DEL MODULO DE RESILIENCIA EN LABORATORIO
El modulo resiliente en el laboratorio se determina mediante ensayos basados en la AASHTO T294-921. Este ensayo consiste básicamente en aplicar un número determinado de repeticiones de esfuerzos desviador (σd) sobre una probeta sometida previamente a una presión de confinamiento (σ3) en una cámara de presión triaxial.
N. De secuencias Material 1 (σ3) (σd)
Material 2 (σ3) (σd)
N. De aplicaciones
1
15
15
6
4
100
2
9
5
6
3
100
3
3
3
3
2
100
4
10
7
5
4
100
NIVEL 1: MÓDULO RESILIENTE DETERMINADO EN CAMPO:
En la medida que las innovaciones tecnológicas se han ido aplicando en los diferentes campos de la ingeniería ha sido posible desarrollar metodologías más rápidas y eficaces para la determinación de parámetros de diseño; un avance que no ha sido ajeno a la ingeniería vial, donde ha sido posible llegar a reemplazar la ejecución de ensayos destructivos por la implementación de pruebas no destructivas que permiten determinar la condición estructural de un pavimento, a partir, de la medición de deflexiones superficiales producidas por la aplicación de una carga externa.
NIVEL 1: MÓDULO RESILIENTE DETERMINADO EN CAMPO DEFLECTOMETRO DE IMPACTO: Se aplica un impacto sobre el pavimento por medio de la caída libre de una carga sobre un sistema de amortiguación, que a su vez está colocado sobre una placa de carga que reparte las tensiones, y por medio de unos sensores (geófonos o sismómetros) se mide la deformación vertical de la superficie (deflexión) bajo el punto de aplicación de la carga y a unas distancias determinadas del mismo (habitualmente en seis u ocho puntos más, dependiendo del equipo y de las características del trabajo). El conjunto de dichas deflexiones registradas es lo que se denomina cuenco de deflexión.
NIVEL 1: MÓDULO RESILIENTE DETERMINADO EN CAMPO
NIVEL 1: MÓDULO RESILIENTE DETERMINADO EN CAMPO
NIVEL 1: MÓDULO RESILIENTE DETERMINADO EN CAMPO
NIVEL 1: MÓDULO RESILIENTE DETERMINADO EN CAMPO
NIVEL 1: MÓDULO RESILIENTE DETERMINADO EN CAMPO DEFLECTOMETRO DE IMPACTO: La metodología de retrocálculo de la guía AASHTO permite determinar sólo el módulo resiliente de la subrasante y está basada en la siguiente expresión:
Donde: MR = Módulo resiliente de la subrasante (psi). P = Carga aplicada (lb). dR = Deflexión obtenida a una distancia R del centro de aplicación de la carga (in). r = Distancia entre el centro de aplicación de la carga y el geófono que capta la deflexión (in). µ = Coeficiente de Poisson del material de subrasante.
NIVEL 1: MÓDULO RESILIENTE DETERMINADO EN CAMPO: DEFLECTOMETRO DE IMPACTO:
DETERMINACION DEL MODULO RESILIENTE, METODO HOGG Y EMPIRICO-MECANISTICO
METODO HOGG
Es un método por el cual el modelo elástico el suelo de la subrasante ubicado justamente abajo del punto de la carga impuesta.
METODO EMPIRICO-MECANISTICO
La teoría mecanistica se caracteriza de manera mas realiza a los pavimentos en servicio utilizando modelos mecanisticos, dando mayor confiabilidad, sin embargo, debido a los vacíos que existen en el conocimiento de este método se apoyan en relaciones empíricas.
DETERMINACION DEL MODULO RESILIENTE DE ACUERDA AASHTO 93
El Modulo resiliente es el parámetro utilizado con el fin de representar las propiedades de los suelos de la subrasante en los pavimentos flexibles.
En la guía de diseño de la AASHTO 93 se puede calcular el modulo resiliente a partir del CBR.
Aplicable en los suelos finos con CBR saturado menor al 10%:
MR = 1500 x CBR
Correlación establecida por el instituto del asfalto:
MR = A + B x CBR
Donde: A = de 772 a 1155 B = de 369 a 555
Para los suelos finos con un CBR saturado menor al 20%:
MR = 1000 + 555 x CBR
Expresión general de la guía de AASHTO 2002:
MR = 2555 x
Para determinar los valores del Daño Relativo (Uf)
Uf = x
Factores que afectan el módulo de resiliencia en suelos cohesivos Como se ha observado en los estudios llevados a cabo sobre módulo de resiliencia, este parámetro no es una propiedad constante del suelo, sino que depende de muchos factores. Los principales se discuten a continuación : 1 Número de aplicaciones del esfuerzo : Para analizar el comportamiento del módulo de resiliencia de un suelo,se sometieron varios especímenes de arcilla compactada a pruebas de módulo de resiliencia.
La Figura 2.1 muestra un ensaye realizado sobre una muestra de arcilla compactada con un peso volumétrico seco de 12.31 kN/m3 y contenido de agua de 20.10 %. Se puede notar una variación importante del módulo durante todo el proceso de carga cíclica. Al aumentar el número de ciclos parece tender a un valor constante.
2. Tixotropía: En estudios previos sobre arcillas compactadas se ha encontrado que las muestras compactadas a altos grados de saturación, particularmente por métodos de compactación que inducen cortantes en el suelo, muestran un pronunciado incremento en la resistencia si se permite un periodo de reposo. Este incremento en resistencia es atribuido a la tixotropía y al cambio progresivo en los arreglos de las partículas y presiones de poro del agua dentro del suelo en un tiempo prolongado.
3. Magnitud del esfuerzo desviador La Figura 2.3 fue generada con una muestra arcillosa que fue compactada con un contenido de agua de 29.9 % y para la cual se obtuvo un peso volumétrico de 13.93 kN/m3 . De la Figura 2.3 se puede notar la clara dependencia que presenta el módulo de resiliencia del esfuerzo desviador aplicado y la poca influencia del esfuerzo de confinamiento en el mismo módulo. Por otro lado, los valores del módulo de resiliencia decrecen rápidamente con el incremento del esfuerzo desviador. Sin embargo, la variación ya no se aprecia tanto a niveles de esfuerzo desviador mayores a 40 kPa.
4. Método de compactación:
Estudios recientes de las características de resistencia de las arcillas compactadas han mostrado que, para muchos suelos, el método de compactación tiene un profundo efecto en el arreglo que adoptan las partículas de las arcillas. Los cambios en la estructura parecen ser debidos, en gran medida, al cortante inducido en el suelo durante la compactación. Por ejemplo, cuando las muestras se compactan a bajos grados de saturación no hay una deformación apreciable inducida por el método de compactación y las partículas de arcilla asumen un arreglo al azar Este tipo de arreglo de las partículas ha sido llamado estructura floculada. Sin embargo, cuando las muestras son compactadas a altos grados de saturación (arriba de 85%), como ocurre en el lado húmedo de la curva de compactación, la resistencia al esfuerzo cortante inducida durante la compactación puede variar considerablemente. Para suelos compactados por medio de amasado, el pisón penetra en el suelo y causa levantamiento adyacente de la superficie del suelo como resultado de las deformaciones
Las partículas de arcilla tienden a alinearse en forma paralela, como se indica en la Figura 2.4(a). Este tipo de estructura es llamada estructura dispersa. Sin embargo, si el mismo suelo es compactado estáticamente no hay posibilidad de que exista ningún desplazamiento lateral y las partículas tienden a conservar su estructura floculada, como se muestra en la Figura 2.4(b).
5. Grado de compactación y contenido de agua : Se sabe que el módulo de resiliencia de los suelos no es una propiedad constante, sino que es dependiente de varios factores, entre otros el peso específico seco y el contenido de agua. El contenido del agua y el peso especifico seco tienen una clara influencia en la magnitud del modulo de resiliencia. Es claro que la magnitud del módulo de resiliencia para un valor de contenido de agua dado, aumenta con el peso volumétrico hasta cierto valor y después disminuye para grados de saturación elevados, en especial después del correspondiente a los óptimos de compactación.
FACTORES QUE INFLUENCIAN EL MÓDULO RESILIENTE DETERMINADO EN LABORATORIO Características
del módulo resiliente en suelos finos: El módulo resiliente no es una propiedad constante de los suelos finos ya que su magnitud es dependiente de diversos factores. Los factores de mayor influencia en el valor del módulo son: la condición de carga o el estado de esfuerzos, el tipo de suelo y su estructura, el estado físico del suelo, el grado de saturación y la tixotropía. A continuación se tratarán algunos de ellos.
1. Condición de Carga o Estado de Esfuerzos: El estado de esfuerzos en los suelos finos está afectado por la acción conjunta de algunos factores como la aplicación del esfuerzo desviador, la presión de confinamiento y el número de ciclos de carga. En los suelos finos empleados como subrasante donde el confinamiento es mucho menos significativo que el esfuerzo desviador, el módulo resiliente presenta una disminución en su magnitud cuando se aplica un incremento en el esfuerzo desviador, principalmente para materiales de tipo arcilloso.
2. Tipo de Suelo y Estructura: Algunos estudios realizados han demostrado que la estructura de los suelos se ve afectada por factores como el método de compactación, el esfuerzo de compactación y el contenido de agua, los cuales influyen directamente en la magnitud del módulo resiliente para muestras compactados en laboratorio. Para muestras compactadas del lado seco de la humedad óptima, las magnitudes del módulo fueron superiores, comparadas con las muestras compactadas del lado húmedo, conservando la tendencia de menores valores a medida que se incrementa el esfuerzo desviador.
3. Estado Físico del Suelo: El estado físico del suelo generalmente está representado por su contenido de humedad y su peso unitario seco, fundamentado en que estos dos factores permiten obtener las condiciones óptimas de la curva de compactación para un suelo dado. Li y Selg (1994), basados en una recopilación de resultados de módulo resiliente encontrados en la literatura, mostraron que éste decrece en magnitud para un mismo peso unitario seco, cuando se presenta un aumento en el contenido de humedad del suelo.
FACTORES QUE AFECTAN AL MODULO RESILIENTE
El modulo resiliente del suelo no es una magnitud constante, depende principalmente del estado de esfuerzos solicitados y de las condiciones físicas en las que se encuentra el suelo al momento del ensayo.
1) Estado de esfuerzos solicitante: esta compuesto por una presión de confinamiento o esfuerzo principal menor (σ3) y un esfuerzo desviador (σd). Ambos influyen directamente en la magnitud del modulo de resiliencia. Influye también el tipo de suelo en que se trabaja.
2) Condiciones físicas del suelo: se encuntran ligadas principalmente con la densidad seca y el contenido de agua.
FACTORES QUE AFECTAN AL MODULO RESILIENTE EN MATERIALES GRANULOMETRICOS
Varios son los factores que afectan el modulo resiliente de un material granular las cuales se clasifican en el siguiente grupo:
1) Tipo de Material: en relación con el material y sus características de las partículas, rugosidad y composición granulométrica.
2) Magnitud de esfuerzos aplicados: se dividen en bien gradados (GW1 y GW2) y mal gradados (GP1 y GP2), el nivel de esfuezo que se maneja son de 300 MPa y 240 Mpa respectivamente.
3) Contenido de agua: esta ligado directamente con el modulo de resiliencia porque al estar presente en el suelo aumenta su esfuerzo que genera.
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL MODULO RESILIENTE DETERMINDADO EN LABORATORIO
2) Característica del modulo resiliente en suelos granulares: al igual que en los suelos finos, los materiales granulares se ven afectados en su determinación del modulo de resiliencia por una serie de factores que influye sus comportamientos como:
A. Presión de confina miento y estado de esfuerzos.
B. Contenido de agua.
C. Contenido de finos.
