DISEÑO PAVIMENTO FLEXIBLE
Tramo de vía PUERTA DE HIERRO-EL CARMEN BOLÍVAR
Sara Pérez Sánchez Manuela Cabrera Durán Ángela María Montoya Rúa Gabriel Jaime Sánchez Alcaraz
FACULTAD DE INGENIERÍA UNIVERDIDAD DE ANTIOQUIA
CONTENIDO Lista de tablas ............................................................................................................. 3 Lista de gráficas .......................................................................................................... 4 Lista de ilustraciones................................................................................................... 4 Lista de imágenes ....................................................................................................... 5 Lista de anexos ........................................................................................................... 5 Introducción ................................................................................................................ 6 Objetivos y alcances ................................................................................................... 6 descripción de la metodología .................................................................................... 7 Método AASTHO 93. Metodología 1 ....................................................................... 7 Método AASTHO 93. Metodología 2 ....................................................................... 9 Método del Instituto Nacional de Vías (INVIAS) ...................................................... 9 Método del instituto del asfalto ............................................................................. 10 Información existente ................................................................................................ 10 Características de la vía ........................................................................................ 10 Información geotécnica .......................................................................................... 11 Información de la zona .......................................................................................... 11 Características geotécnicas ...................................................................................... 13 Selección de la unidad homogénea ....................................................................... 13 CBR de la unidad homogénea ............................................................................... 15 Suelo típico de la subrasante................................................................................. 17 Número de ejes equivalentes acumulados de 8,2 ton para el período de diseño .. 18 Diseño de pavimentos............................................................................................... 21 Método AASTHO 93 - Metodología 1 .................................................................... 21 Número estructural ............................................................................................. 21 Metodología Instituto Nacional de Vías INVIAS ..................................................... 27 Método AASTHO 93 - Metodología 2 .................................................................... 31 Metodología Instituto del Asfalto ............................................................................ 32 Secciones transversales ........................................................................................... 35 Presupuesto .............................................................................................................. 38 Diseño definitivo de pavimento flexible ..................................................................... 40 Conclusiones y recomendaciones ............................................................................ 41 2
Bibliografía ................................................................................................................ 43 Anexos ...................................................................................................................... 44 Información geotécnica del suelo de estudio ......................................................... 44 Especificaciones del Instituto Nacional de Vías ..................................................... 49
LISTA DE TABLAS Tabla 1. Especificaciones generales del proyecto. ................................................... 11 Tabla 2. Resultados de los ensayos efectuados sobre la subrasante. ...................... 11 Tabla 3. Datos de límites de consistencia. ................................................................ 14 Tabla 4. CBR de la subrasante. ................................................................................ 16 Tabla 5. Datos subrasante. ....................................................................................... 17 Tabla 6. Estratigrafía. ................................................................................................ 18 Tabla 7. Información de tránsito en el año 2010, Estación 510. ............................... 18 Tabla 8. Información de tránsito para el año 2016, Estación 510. ............................ 19 Tabla 9. Parámetros de diseño iniciales. .................................................................. 19 Tabla 10. Factor camión individual por ejes según el tipo de vehículo. .................... 20 Tabla 11. Factor camión individual según el tipo de vehículo. .................................. 21 Tabla 12. Factor de equivalencia global.................................................................... 21 Tabla 13. Número de ejes equivalentes acumulados de 8.2 toneladas .................... 21 Tabla 14. Parámetros requeridos para el cálculo del número estructural. ................ 22 Tabla 15. Desviación estándar normal. ..................................................................... 22 Tabla 16. Coeficiente estructural de la subrasante. .................................................. 23 Tabla 17. Número estructural corregido. ................................................................... 23 Tabla 18. Calidad del drenaje (Instituto Nacional de Vías, 1998). ............................ 25 Tabla 19. Parámetros correspondientes a cada capa. .............................................. 26 Tabla 20. Parámetros metodología 1 AASHTO. ....................................................... 27 Tabla 21. Espesores de diseño metodología AASHTO 1. ........................................ 27 Tabla 22. Parámetros requeridos metodología INVIAS. ........................................... 28 Tabla 23. Categoría R (Fonseca, 2006). ................................................................... 28 Tabla 24. Categoría S (Fonseca, 2006). ................................................................... 28 Tabla 25. Categoría T (Fonseca, 2006). ................................................................... 29 Tabla 26. Categorías definidas. ................................................................................ 29 Tabla 27. Criterios de selección de la carta de diseño (Fonseca, 2006). .................. 29 Tabla 28. Carta N° 3. Región 3 – Cálido seco, cálido semihúmedo (Instituto Nacional de Vías, 1998). .......................................................................................................... 30 Tabla 29. Espesores de diseño Metodología INVIAS. .............................................. 31 Tabla 30. Espesores de diseño Metodología AASHTO 2. ........................................ 31 Tabla 31. Espesores de las estructuras de pavimentos y números estructurales totales. ...................................................................................................................... 31 Tabla 32. Datos de entrada para el método del instituto de asfalto. ......................... 32 3
Tabla 33. Tabla de espesores mínimos de concreto asfáltico para bases estabilizadas. .................................................................................................................................. 33 Tabla 34. Espesores de Diseño metodología Instituto del Asfalto- Bases estabilizadas. .................................................................................................................................. 34 Tabla 35. Espesores de Diseño metodología Instituto del Asfalto- Concreto Asfáltico pleno. ........................................................................................................................ 35 Tabla 36. Períodos de análisis recomendados (Fonseca, 2006). ............................. 35 Tabla 37. Precios unitarios........................................................................................ 38 Tabla 38. Características de la vía. ........................................................................... 39 Tabla 39. Cantidades requeridas para los diseños, volúmenes y espesores............ 39 Tabla 40. Costo de las estructuras de pavimento. .................................................... 40 Tabla 41. Espesores del diseño final de pavimento flexible. ..................................... 40 Tabla 42. Costos del diseño final de pavimento flexible............................................ 41
LISTA DE GRÁFICAS Gráfica 1. Variación del contenido de humedad según sondeo y manto. ................. 13 Gráfica 2. Límites de consistencia. ........................................................................... 15 Gráfica 3. Variación del CBR de la subrasante. ........................................................ 16 Gráfica 4. Perfil estratigráfico. ................................................................................... 17 Gráfica 5. Diagrama de diseño para base estabilizada con emulsión tipo I. ............. 33 Gráfica 6. Diagrama de diseño para base estabilizada con emulsión tipo II. ............ 34 Gráfica 7. Diagrama de diseño para espesor pleno en concreto asfáltico. ............... 34
LISTA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Variación de coeficiente a2 con diferentes parámetros de resistencia de la base granular (Fonseca, 2006). ............................................................................ 24 Ilustración 2. Variación de coeficiente a3 con diferentes parámetros de resistencia de la subbase granular (Fonseca, 2006). ...................................................................... 24 Ilustración 3. Número estructural 2 y 3...................................................................... 26 Ilustración 4. Sección transversal metodología AASHTO 1. ..................................... 35 Ilustración 5. Sección transversal metodología AASHTO 2 - Alternativa 1. .............. 36 Ilustración 6. Sección transversal metodología AASHTO 2 - Alternativa 2. .............. 36 Ilustración 7. Sección transversal metodología AASHTO 2 - Alternativa 3. .............. 36 Ilustración 8. Sección transversal metodología INVIAS. ........................................... 37 Ilustración 9. Sección transversal metodología Instituto del Asfalto – Emulsión tipo I. .................................................................................................................................. 37 Ilustración 10. Sección transversal metodología Instituto del Asfalto – Emulsión tipo II. .................................................................................................................................. 37
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Ilustración 11. Sección transversal metodología Instituto del Asfalto – Pleno en concreto asfáltico. ..................................................................................................... 37
LISTA DE IMÁGENES Imagen 1. Tramo 15 de la Ruta Nacional 25 y precipitación en Colombia. ............... 12 Imagen 2. Sección 510 – Bolivar. ............................................................................. 12
LISTA DE ANEXOS Anexo 1. Información sondeo 1 K0+500. .................................................................. 44 Anexo 2. Información sondeo 2 K1+000. .................................................................. 45 Anexo 3. Información sondeo 3 K1+500. .................................................................. 46 Anexo 4. Información sondeo 4 K2+000. .................................................................. 47 Anexo 5. Información sondeo 5 K2+500. .................................................................. 48 Anexo 6. Requisitos de los agregados para bases granulares (Ministerio de transporte, INVIAS, 2013). .......................................................................................................... 49 Anexo 7. Franjas granulométricas del material de base granular (Ministerio de transporte, INVIAS, 2013). ........................................................................................ 50 Anexo 8. Requisitos de los agregados para sub-bases granulares (Ministerio de transporte, INVIAS, 2013). ........................................................................................ 50 Anexo 9. Franjas granulométricas del material de sub-base granular (Ministerio de transporte, INVIAS, 2013). ........................................................................................ 51
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INTRODUCCIÓN Se presenta a continuación, la descripción de los diferentes procedimientos para el diseño de pavimento flexible en un tramo de vía de 2,5 km ubicada en el sector de Puerta de Hierro - El Carmen en el Departamento de Bolívar, Colombia; además de la evaluación técnica y financiera para cada una de las soluciones de cálculo, teniendo en cuenta los ensayos de campo y laboratorio suministrados y las recomendaciones de carácter geotécnico y de diseño óptimo que cumplan con estándares técnicos, de calidad y economía para establecer la estructura de pavimento definitiva del proyecto.
OBJETIVOS Y ALCANCES Diseñar estructuras de pavimento flexible por medio de las metodologías AASHTO-93 (Metodologías 1 y 2) , Instituto del Asfalto e Instituto Nacional de Vías INVIAS, teniendo en cuenta las características geo-mecánicas de la subrasante obtenidas a través de los ensayos de campo y laboratorio sobre el material de la zona, estudio geotécnico de la vía, caracterización de los materiales en las capas de la estructura del pavimento y por último el número de ejes equivalentes calculados a partir de la distribución vehicular del año 2010 de los cuadros TPDS y de distribución vehicular del Instituto Nacional de Vías. El cálculo de las estructuras de pavimento obtenidas mediante las metodologías mencionadas, permitirán evaluar y validar las alternativas tanto técnicas como económicas con el fin de determinar la estructura definitiva de pavimento para el proyecto y las diferentes recomendaciones constructivas pertinentes. Lo anterior abarca: - Identificar y caracterizar, mediante técnicas de exploración y muestreo en campo, los materiales que conforman la subrasante en toda la longitud del proyecto. - Determinar mediante ensayos de laboratorio las propiedades físicas y mecánicas más importantes del suelo que componen la subrasante - Definir los espesores y materiales más apropiados que pueden ser colocados de acuerdo a las condiciones del proyecto y que constituirán la estructura de pavimento flexible. - Diseñar una estructura definitiva que sea cómoda, funcional, segura, económica y que cumpla técnicamente con la normativa vigente. - Presentar recomendaciones técnicas en especial en el proceso constructivo, que contribuyan a mitigar inadecuadas interpretaciones del diseño o prácticas de ingeniería que disminuyan la vida útil y funcionabilidad del pavimento. 6
DESCRIPCIÓN DE LA METODOLOGÍA El diseño de pavimento se realizó a partir de las siguientes metodologías teniendo en cuenta los parámetros y características de cada una de ellas, descritas a continuación.
Método AASTHO 93. Metodología 1 Esta metodología se basa en identificar y encontrar un número estructural para el pavimento flexible que pueda soportar el nivel de carga solicitado. Además, considera la serviciabilidad y percepción del usuario, por tanto requiere un alto factor de seguridad. Las variables de diseño son descritas a continuación. Tránsito: el método contempla ejes equivalentes sencillos de 18000lb (8,2 ton) acumulados durante el periodo de diseño para el cálculo del tránsito. Confiabilidad (R): es la probabilidad de que la sección diseñada se comporte satisfactoriamente ante las condiciones de tránsito y ambientales durante el periodo de diseño. Error estándar combinado (S0): considera posibles variaciones en el comportamiento del pavimento y en la predicción del tránsito. Los valores usualmente varían entre 0.40 y 0.50. Índice de Serviciabilidad: se define como la idoneidad que tiene el pavimento para servir ante la clase de tránsito y se calcula con el índice de serviciabilidad final menos el inicial. Módulo resiliente de la subrasante (Mr): Capacidad que tiene un suelo de recuperarse después de haber retirado la carga. El coeficiente estructural (ai): Se establece para cada capa del pavimento siendo cada uno de los coeficientes una medida de la capacidad relativa de un material específico para soportar una carga, se determinan a partir de los nomogramas propuestos por ASSTHO, Ilustración 1 e Ilustración 2. Coeficiente de drenaje (mi): Las variaciones estructurales de las capas granulares de Base y Subbase pueden cambiar su rigidez con la alteración de su contenido de humedad. Se determina, teniendo el porcentaje de tiempo de exposición de la estructura de pavimentos a niveles de humedad próximos a la saturación, Tabla 18. Factor de carga del eje simple equivalente: 𝑁𝑁𝑥𝑥 𝐺𝐺𝑡𝑡 𝐺𝐺𝑡𝑡 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 � � = 4,79 ∗ log(18 + 1) − 4,79 ∗ log(𝐿𝐿𝐿𝐿 + 𝐿𝐿2 ) + 4,33 ∗ log(𝐿𝐿2 ) + − 𝑁𝑁18 𝛽𝛽𝑥𝑥 𝛽𝛽18 7
4,20 − 𝑝𝑝𝑡𝑡 𝐺𝐺𝑡𝑡 = 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 � � 4,20 − 1,50
𝛽𝛽𝑥𝑥 = 0,40 +
0,081 ∗ (𝐿𝐿𝑥𝑥 + 𝐿𝐿2 )3,23 (𝑆𝑆𝑆𝑆 + 1)5,19 ∗ 𝐿𝐿2 3,23
Ecuación 1. Cálculo del factor camión individual. Donde: Nx: número de cargas aplicadas al final de período t. N18: número de aplicaciones de cargas equivalentes de 18 [kips]. Lx: carga a ser avaluada en kips. L2: código de configuración de eje evaluado (1 eje simple, 2 eje tándem, 3 ejesimple). β18: valo de βx cuando Lx es igual a 18 kips y L2 es igual a 1. SN: número estructural. Pt: índice de servicio final. N: Número de ejes equivalentes de 8,2 toneladas en el periodo de diseño. 𝑁𝑁8,2𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 (𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴)
(1 + 𝑟𝑟)𝑛𝑛 − 1 𝐴𝐴 𝐵𝐵 = 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 ∗ ∗ ∗ 365 ∗ ∗ 𝐹𝐹𝐹𝐹 100 100 ln(1 + 𝑟𝑟)
Ecuación 2. Cálculo del número de ejes equivalentes de 8,2 toneladas en el periodo de diseño. Número Estructural (SN): El número estructural se determina a partir de la siguiente ecuación: 𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥 � 4.2−1.5 1094 0.40+ (𝑆𝑆𝑆𝑆+1)5.19
𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙(𝑁𝑁) = 𝑍𝑍𝑅𝑅 𝑆𝑆𝑜𝑜 + 9.36𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙(𝑆𝑆𝑆𝑆 + 1) − 0.20 + �
log�
� + 2.32𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙(𝑀𝑀𝑅𝑅 ) − 8.07
Ecuación 3. Cálculo del número estructural
Selección de los espesores de las capas: los espesores h1, h2 y h3 (en pulgadas) se requiere la implementación de la Ecuación 4. 𝑆𝑆𝑆𝑆 = 𝑎𝑎1 ℎ1 + 𝑎𝑎2 𝑚𝑚1 ℎ2 + 𝑎𝑎3 𝑚𝑚2 ℎ3 𝑆𝑆𝑆𝑆1 = ℎ1 ∗ 𝑎𝑎1 𝑆𝑆𝑆𝑆1 ℎ1 = 𝑎𝑎1 𝑆𝑆𝑆𝑆1∗ = ℎ1∗ ∗ 𝑎𝑎1 𝑆𝑆𝑆𝑆2 = 𝑆𝑆𝑆𝑆1∗ + ℎ2 ∗ 𝑎𝑎2 ∗ 𝑚𝑚1
𝑆𝑆𝑆𝑆2 − 𝑆𝑆𝑆𝑆1∗ 𝑎𝑎2 ∗ 𝑚𝑚1 ∗ ∗ 𝑆𝑆𝑆𝑆2 = 𝑆𝑆𝑆𝑆1 + ℎ2∗ ∗ 𝑎𝑎2 ∗ 𝑚𝑚1 𝑆𝑆𝑆𝑆3 = 𝑆𝑆𝑆𝑆2∗ + ℎ3 ∗ 𝑎𝑎3 ∗ 𝑚𝑚2 𝑆𝑆𝑆𝑆3 − 𝑆𝑆𝑆𝑆2∗ ℎ3 = 𝑎𝑎3 ∗ 𝑚𝑚2 𝑆𝑆𝑆𝑆3∗ = 𝑆𝑆𝑆𝑆2∗ + ℎ3∗ ∗ 𝑎𝑎3 ∗ 𝑚𝑚2 ℎ2 =
h1*,h2*,h3*,SN1*,SN2*,SN^* representan el valor realmente usado, el cual debe ser mayor o igual al requerido. Ecuación 4.Cálculo de espesores y número estructural para cada capa. 8
Donde: 𝑆𝑆𝑆𝑆 : Número estructural 𝑎𝑎1 , 𝑎𝑎2 , 𝑎𝑎3 : Coeficientes de capa representativos de carpeta, base y subbase respectivamente. ℎ1 , ℎ2 , ℎ3 : Espesor de la carpeta, base y subbase respectivamente, en pulgadas. 𝑚𝑚1 , 𝑚𝑚2 : Coeficientes de drenaje para base y subbase, respectivamente. Método AASTHO 93. Metodología 2
Para este método se encontrarán tres alternativas de diseño para el pavimento flexible, las cuales se obtienen a partir de una suposición de espesores proporcionados por el catálogo de estructuras del INVIAS para algunas capas y un proceso de cálculo no iterativo.
Método del Instituto Nacional de Vías (INVIAS) Para el método se realizaron investigaciones a partir de las cuales se identifican las secciones de las estructuras más usadas y su comportamiento en servicio. En base a los datos recolectados en la investigación se asignaron, los principales campos de interés al diseño estructural: ● ● ● ● ●
Número de ejes equivalentes que soportará la estructura. Valor soporte de la subrasante. Espesores. Tipos de materiales utilizados. Condiciones ambientales.
INVIAS genera a partir del método AASHTO un catálogo de estructuras previamente analizadas y clasificadas, que se encuentra en el Capítulo 8 del Manual de Diseño de Pavimentos Asfálticos para altos y medios volúmenes de tránsito del INVIAS y, que para su implementación requiere combinaciones de los siguientes ítems para el pavimento a diseñar: Período de análisis y período de diseño estructural: dependen de la categoría de la vía y ésta de su importancia y tránsito promedio diario, Tabla 36 tomada de Ingeniería de Pavimentos. Alfonso Montejo Fonseca (2006). Proyección del tránsito y cálculo del número de ejes equivalentes en el período de diseño: el pronóstico de transito se puede realizar en dos niveles con una confiabilidad del 90%: 1. Como una expansión del número de ejes equivalentes en el año base.
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2. A partir de una extrapolación de la serie histórica del número de ejes equivalentes de cada uno de los años que alimentan la serie. Se designa el tránsito de acuerdo a la Tabla 25. Factores ambientales y climáticos: en base a la precipitación media anual (PMA), la temperatura media anual ponderada (TMAP) y la Tabla 23, se determina la región climática del proyecto. Módulo resiliente de diseño y clasificación de la subrasante de la unidad: ubicando los resultados de módulo resiliente y CBR dentro de los intervalos expuestos en la Tabla 24, se elige el entorno de resistencia y la categoría de la subrasante.
Método del instituto del asfalto Este método acepta el empleo de asfalto sólido o emulsiones asfálticas en la totalidad o en parte de la estructura del pavimento, además considera éste como un sistema elástico de varias capas e incluye dos combinaciones: 1. Capa de rodadura y bases con emulsiones asfálticas 2. Capas de rodadura asfálticas con base y subbase granulares. Según el instituto del asfalto se deben tener en cuenta variables de diseño como el tránsito, suelo de la subrasante y materiales para la construcción de pavimentos. Para el método se tiene el siguiente procedimiento: 1. Estimar el tránsito esperado durante el periodo de diseño expresado como número acumulado de ejes simples equivalentes de 8.2 toneladas del carril de diseño (N8,2). 2. Determinar la resistencia de los suelos típicos de subrasante. Utilizando el valor del ensayo de CBR y la ecuación: Mr= 100*CBR (Kg/Cm2); Mr= Módulo de resiliencia. 3. Realizar la elección de los tipos de base y capa de rodadura a utilizar en el diseño a partir de los valores de N8,2 y Mr obtenidos anteriormente. Para cada tipo de base elegida, el método presenta una gráfica de diseño la cual determina los espesores de las diferentes capas de pavimentos.
INFORMACIÓN EXISTENTE Características de la vía La vía objeto de este estudio tiene 2,5 Km de longitud, un ancho de calzada de 6,0 m y presenta una estructura existente en pavimento asfáltico con agrietamientos generalizados en piel de cocodrilo. 10
Tabla 1. Especificaciones generales del proyecto. Especificaciones Valor Configuración de la vía Calzada Sencilla Ancho de la calzada 7,0 [m] Bermas 1,0 [m] Volumen de corte para la conformación Corte tipo “cajón” de la estructura de pavimento de la subrasante. + 30% del espesor total de pavimento. Volumen de lleno para la conformación 20% del espesor total de la estructura de de la subrasante. pavimento.
Información geotécnica Los resultados obtenidos a partir de ensayos en campo y laboratorio para la vía objeto de estudio son presentados a continuación, Tabla 2. Tabla 2. Resultados de los ensayos efectuados sobre la subrasante. PARÁMETRO UNIDAD ABSCISA Abscisa N/A K0+500 K1+000 K1+500 K2+000 K2+500 Profundidad m 0.70 0.70 0.80 0.80 1.00 Humedad Natural (ω) % 36.60 40.60 24.90 46.20 36.60 Humedad de Inmersión (ωsat) % 37.40 48.80 19.10 31.40 46.70 Expansión % 0.37 0.37 0.37 0.39 0.20 Capacidad CBR P.C.D % 2.60 3.90 6.20 4.60 20.50 Capacidad CBR Inalterado % 9.00 2.80 6.00 4.40 5.40
Información de la zona El departamento de Bolívar posee una extensión de 25.978 m2, de la cual la mayor parte de la superficie del norte de este departamento corresponde a las tierras bajas de las serranías de San Jacinto y Santa Rosa. En el centro del departamento se encuentra la depresión momposina, la cual es la región más cenagosa y anegadiza de Colombia debido a la gran cantidad de brazos, caños, ciénagas y pantanos que allí se forman. Hacía el sur del departamento se ubica la Serranía de San Lucas, la cual se prolonga desde el departamento de Antioquia como estribaciones de la cordillera central y forma la separación de aguas entre los ríos Magdalena y Cauca. La temperatura de la zona a la altura del municipio del Carmen de Bolívar puede variar anualmente entre los 26° y 30° Celsius, estando este municipio a una altura promedio de 197 m.s.n.m. Las precipitaciones anuales en la zona pueden variar entre los 500mm y 1000mm, Imagen 1, sin embargo estas variaciones pueden verse afectadas significativamente por los fenómenos climáticos del Niño y la Niña.
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Imagen 1. Tramo 15 de la Ruta Nacional 25 y precipitación en Colombia. El tramo de vía identificado con el código 510 se encuentra localizada en el departamento de Bolívar entre las estaciones Puerta de Hierro y El Carmen. Esta vía pertenece al tramo 15 de la Ruta Nacional 25, comúnmente llamada Troncal de Occidente o Troncal Occidental, la cual hace parte del corredor vial Nacional de Colombia que parte del Puente Rumichaca en la Frontera entre Ecuador y el departamento de Nariño y termina en la ciudad de Barranquilla con una extensión total de 1498.13 km, siendo ésta una de las rutas más extensas del país. La sección 510 presenta una calzada sencilla compuesta principalmente por tramos rectos que atraviesan el paisaje semiárido de la zona de estudio, Imagen 2.
Imagen 2. Sección 510 – Bolivar.
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CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS Con el fin de definir las características geotécnicas del tramo donde tendrá lugar el proyecto vial se realizaron cinco (5) sondeos, distribuidos cada 500m aproximadamente, los cuales alcanzan profundidades hasta de 1,3m respecto a la rasante actual. En ellos se tomaron muestras de los materiales granulares existentes y suelos encontrados para realizar ensayos de humedad, granulometría por tamizado y límites de consistencia, así como CBR con muestra inalterada y sumergida del suelo de subrasante. En los suelos de apoyo se hicieron exploraciones con el Penetrómetro Dinámico de Cono (PDC) con el fin de conocer la uniformidad del apoyo en sentido vertical, empleando la correlación del Transvaal Road Department Material Branch de Sudáfrica. Los perfiles estratigráficos de los sondeos realizados indican el espesor de cada estrato, el contenido de humedad y su clasificación, los cuales son presentados del Anexo 1 al Anexo 5. Selección de la unidad homogénea En el diseño de pavimentos se requiere la identificación de unidades homogéneas, dada la heterogeneidad de la vía y a las variaciones dentro del proceso constructivo, mediante la sectorización en tramos de características similares. A continuación se presenta la variación de la humedad obtenida en cada sondeo, empleando el valor más cercano al centro de cada manto, ya que dicho valor es el menos propenso a variaciones y por consiguiente más representativo, dado a que no sufre alteraciones durante el proceso de perforación y toma de las muestras.
Contenido de humedad (w%) 45,5 40,6 36,6
36,6 24,9
Manto 1 Manto 2
8,5
12,1
10,4 5,3
S1
S2
14,6 9,5
8,3
S3
Manto 3
12,5 7,3
6,5
S4
S5
Gráfica 1. Variación del contenido de humedad según sondeo y manto. No se observa una variación significativa de la humedad para cada manto analizado, además de la relación directa existente entre el incremento de la profundidad del estrato y del aumento del contenido de humedad en éste. De acuerdo a los ensayos
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realizados a lo largo de los 2,5 km de vía para cada sondeo, no se identificó la existencia del nivel freático. Debido a la poca cantidad de datos de límites de consistencia no se puede observar su variación entre sondeos ni hacer comparaciones significativas, por lo cual se basa la determinación de la unidad homogénea de acuerdo los registros de humedad. La Tabla 3 resume la información suministrada de los límites de consistencia y la Gráfica 2 su variación con respecto a cada manto. Tabla 3. Datos de límites de consistencia. LÍMITE LÍQUIDO Manto 1 2 3 S1 30 45 S2 S3 34 S4 56 S5 -
LÍMITES DE CONSISTENCIA LÍMITE PÁSTICO ÍNDICE DE PLASTICIDAD Manto 1 2 3 Manto 1 2 3 S1 24 29 S1 6 16 S2 S2 S3 25 S3 9 S4 46 S4 10 S5 S5 -
Límite líquido (LL) 56 45 34
30
Manto 1 Manto 2 Manto 3
0 S1
0
0 S2
0
0 S3
0
0
0 S4
0
0
0
S5
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Límite plástico 46
29
25
24
Manto 1 Manto 2 Manto 3
0
0
S1
0
0
0
S2
0
0
S3
0
0
S4
0
0
S5
Indice de plasticidad (IP) 16
10
9
Manto 1 Manto 2
6
Manto 3
0 S1
0
0
0
S2
0 S3
0
0
0 S4
0
0
0
S5
Gráfica 2. Límites de consistencia. Dado que el proyecto a realizar corresponde a una vía de 2,5 km y que la variación del parámetro más representativo observado en la Gráfica 1 es poca, se considera una única unidad homogénea para el diseño del pavimento.
CBR de la unidad homogénea Una vez identificada la unidad homogénea se procede a caracterizar el suelo típico de la subrasante y su respectiva capacidad portante, la cual queda establecida a través del CBR del suelo. Los valores de CBR empleados corresponden a los determinados a partir del ensayo típico para su identificación, ya que son más bajos y proporcionan mayor seguridad en el diseño de la estructura de pavimento, además dicho ensayo puede recrear mejor las condiciones de carga a las cuales estará sometido el suelo. Se descartaron los valores de CBR obtenidos a través del ensayo de cono de penetración dinámico (CPD) 15
para el análisis, dado que se observa una variación muy amplia de los mismos. A continuación se muestran los valores de CBR dados para la subrasante de cada sondeo y se define el valor de CBR a emplear en la unidad homogénea hallado a partir del percentil 40, el cual fue seleccionado debido a que proporciona alta confiabilidad. Las variaciones del CBR para cada uno de los sondeos son observadas en la Gráfica 3. Tabla 4. CBR de la subrasante. CBR SUBRASANTE Abscisa (m) K0+500 K1+000 K1+500 K2+000 K2+500 Percentil 40
Capacidad CBR inalterado (%) 9 2,8 6 4,4 5,4 5,0
CBR (%)
CBR subrasante 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
9
6
5,4 4,4
2,8
500
1000
1500
2000
2500
Abscisa (m)
Gráfica 3. Variación del CBR de la subrasante. El Instituto Nacional de Vías (INVIAS) en el Artículo No. 220 recomienda que para valores de CBR inferiores al 3% se requiere reemplazar el material. Debido a que se obtuvo un CBR=5% no se requiere el cálculo de reemplazo. El módulo resiliente se define como la capacidad de recuperación del material y no es una propiedad constante del suelo, sino que depende de diferentes factores, tales
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como: número de aplicaciones del esfuerzo, tixotropía, magnitud del esfuerzo desviador, método y condiciones de compactación. El módulo resiliente de la subrasante y de las capas superiores fue calculado mediante la siguiente ecuación, ya que reduce los valores de CBR altos y aumenta los bajos, incrementando seguridad del diseño. 𝑀𝑀𝑅𝑅 = 2555 ∗ 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 0,64
Ecuación 5. Cálculo del módulo resiliente. En la Tabla 5 se presenta el resultado tanto del CBR como del módulo resiliente calculado para la subrasante. Tabla 5. Datos subrasante. SUBRASANTE CBR 5,0 % MR 7157 psi
Suelo típico de la subrasante En el perfil estratigráfico presentado en la Gráfica 4, el cual fue realizado mediante la información suministrada por los sondeos a lo largo de los 2,5 km de vía, es posible observar la variación de los tres mantos identificados y la irregularidad de la carpeta de rodadura. PERFIL ESTRATIGRÁFICO 500
1000
1500
2000
Manto 1
Carpeta de rodadura
2500
0 20 40 60 80 100 120 Manto 3
Manto 2
Gráfica 4. Perfil estratigráfico. En la Tabla 6 se presenta una descripción del tipo de suelo para cada manto de la unidad homogénea estudiada.
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Tabla 6. Estratigrafía. Manto 1
Caracterización del suelo de la unidad homogénea Tipo de suelo Observaciones Variaciones del grado de compactación entre compacto y semicompacto. Grava limosa Variaciones significativas en la coloración.
2
Grava limosa y arena limosa
Grava limosa con variaciones de gradación, grado de compactación entre semicompacto y compacto y variaciones considerables de coloración.
3
Arela limosa
Grado de compactación estable: semicompacto. Variaciones significativas en coloración.
Número de ejes equivalentes acumulados de 8,2 ton para el período de diseño Para la obtención del número de ejes equivalentes acumulados de 8,2 toneladas en la zona de estudio se empleó la información de tránsito promedio diario y distribución vehicular del año 2010, extraída de los cuadros TPDs y de distribución vehicular del Instituto Nacional de Vías (INVIAS), correspondiente a la estación 510 del departamento de Bolívar. La Tabla 7 presenta la distribución porcentual de vehículos clase A, B, y C, y su respectiva discriminación de camiones, correspondiente al año 2010, los cuales son usados para el cálculo de los factores de carga individual. Tabla 7. Información de tránsito en el año 2010, Estación 510.
Año 2010
ESTACIÓN N°510 PUERTA DE HIERRO - EL CARMEN DISTRIBUCIÓN PORCENTUAL DE Autos Buses Camiones CAMIONES ( VEHÍCULO TIPO C) TPDS A B C C-2P C-2G C-3-4 C-5 > C-5 3538 39% 10% 51% 22% 25% 15% 9% 29%
El tránsito promedio diario fue calculado mediante la siguiente ecuación, donde A y G corresponden al porcentaje de tránsito atraído y generado por año respectivamente, donde además se tiene en cuenta la proyección desde el año 2010 hasta el 2016, siendo n de 6 años, considerando una tasa de crecimiento anual r del 4%. 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 = (𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 + 𝐴𝐴 ∗ 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 + 𝐺𝐺 ∗ 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇) ∗ (1 + 𝑟𝑟)𝑛𝑛
Cálculo de tránsito promedio diario para el año 2016 Posteriormente se muestra el valor del tránsito promedio diario inicial calculado correspondiente a dicha estación.
18
Tabla 8. Información de tránsito para el año 2016, Estación 510.
Año
TPD
2016
5058,67
ESTACIÓN N°510 PUERTA DE HIERRO - EL CARMEN DISTRIBUCIÓN PORCENTUAL DE CAMIONES Autos Buses Camiones ( VEHÍCULO TIPO C) A B C C-2P C-2G C-3-4 C-5 > C-5 Buses 39% 10% 51% 22% 25% 15% 9% 29% 10%
Los parámetros requeridos para la obtención del número de ejes equivalentes acumulados de 8,2 toneladas son dados en la Tabla 9, donde se asumió inicialmente un número estructural de 5 el cual posteriormente fue recalculado. Tabla 9. Parámetros de diseño iniciales. DATOS Parámetro Tránsito atraído Tránsito generado Tasa anual de crecimiento del tránsito Período de diseño Número estructural asumido Índice de servicio final Vehículos para el carril de diseño Vehículos pesados proyectados
Notación A G r n SN Pt B A
Valor 8% 5% 4% 15 años 5 2 50% 61%
Los factores de equivalencia fueron calculados mediante la Ecuación 1 y en la Tabla 10 se presentan tanto los datos empleados como los obtenidos para los respectivos ejes de cada tipo de camión, además se presentan los valores corregidos de acuerdo al recálculo del número estructural que se mostrará posteriormente. Para el diseño fue considerado el bus metropolitano ya que tiene la misma incidencia en la estructura de pavimento que un camión de dos ejes pequeño (C2-P), es decir es el más desfavorable dentro de su categoría. De igual forma se procedió con la selección tractor-camión C3-S1 dentro de la categoría C3 y C4, ya que al tener un eje simple en la parte trasera, presenta una distribución de carga crítica para la estructura de pavimento.
19
Tabla 10. Factor camión individual por ejes según el tipo de vehículo. CLASIFICACIÓN DE VEHÍCULOS Y FACTOR CAMIÓN INDIVIDUAL BUS METROPOLITANO Lx FC Eje L2 ton kips Individual 1 Simple 1 6 13,23 0,265 2 Simple 1 6 13,23 0,265 CAMIÓN DE DOS EJES PEQUEÑO C2-P Lx FC Eje L2 ton kips Individual 1 Simple 1 6 13,23 0,265 2 Simple 1 6 13,23 0,265 CAMIÓN DE DOS EJES GRANDE C2-G Lx FC Eje L2 ton kips Individual 1 Simple 1 6 13,23 0,265 11 24,25 3,552 2 Simple 1 C3 Y 4: TRACTOR-CAMIÓN C3-S1 Lx FC Eje L2 ton kips Individual 1 Simple 1 6 13,23 0,265 2 Tándem 2 22 48,50 4,886 3 Simple 1 11 24,25 3,552 C5: TRACTOR-CAMIÓN C3-S2 Lx FC Eje L2 kips ton Individual 0,265 1 Simple 1 6 13,23 2 Tándem 2 22 48,50 4,886 3 Tándem 2 22 48,50 4,886 >C5: TRACTOR -CAMIÓN C3-S3 Lx FC Eje L2 ton kips Individual 1 Simple 1 6 13,23 0,265 2 Tándem 2 22 48,50 4,886 3 Tridem 3 24 52,91 1,519
Fci Corregido 0,258 0,258 Fci Corregido 0,258 0,258 Fci Corregido 0,258 3,668 Fci Corregido 0,258 5,046 3,668 Fci Corregido 0,258 5,046 5,046 Fci Corregido 0,258 5,046 1,516
En la Tabla 11 se presenta el resumen del factor camión individual de acuerdo al tipo de vehículo.
20
Tabla 11. Factor camión individual según el tipo de vehículo. Camiones C FCi Fci Corregido
FACTOR CAMIÓN INDIVIDUAL DISTRIBUCIÓN PORCENTUAL DE CAMIONES ( VEHÍCULO TIPO C) C-2P C-2G C-3-4 C-5 > C-5 Buses 0,530 3,817 8,703 10,037 6,670 0,530 0,516 3,927 8,973 10,350 6,820 0,516
Con los datos obtenidos de factor camión individual se procedió a calcular los factores de equivalencia global, los cuales son presentados en la Tabla 12, tanto para el número estructural asumido como para el recalculado. Tabla 12. Factor de equivalencia global. FACTOR CAMIÓN GLOBAL SN asumido SN corregido FCg 4,45 4,56
Finalmente mediante la Ecuación 2 se calculó el número de ejes equivalentes acumulados de 8,2 toneladas en la zona de estudio como se observa en la siguiente tabla. Tabla 13. Número de ejes equivalentes acumulados de 8.2 toneladas EJES EQUIVALENTES SN asumido SN corregido N8,2t(ACUM) 51’129.047,4 52’418.379,0
Debido a que el número de ejes equivalentes de 8,2 ton obtenidos es mayor a 5 millones, se designa el tránsito como clase A.
DISEÑO DE PAVIMENTOS
Método AASTHO 93 - Metodología 1 Número estructural Teniendo en cuenta los valores presentados en la Tabla 14, correspondientes a la zona de estudio, fue necesario recalcular el número estructural con el fin de obtener parámetros de diseño más precisos y confiables. Los parámetros requeridos en la Ecuación 3 son presentados a continuación. 21
Tabla 14. Parámetros requeridos para el cálculo del número estructural. DATOS Parámetro Confiabilidad Desviación estándar normal Error estándar combinado Serviciabilidad inicial Serviciabilidad final Serviciabilidad Módulo resiliente subrasante Temperatura Coeficiente estructural
Notación Valor R 90% Zr -1,282 S0 0,5 P0 4,2 Pt 2 ΔPSI 2,2 MR 7157 psi T 26-30 °C a1 0,3
Es importante destacar que la confiabilidad utilizada fue del 90% con el objetivo de realizar comparaciones posteriormente entre las diferentes metodologías de diseño, ya que la correspondiente al INVIAS exige dicho parámetro. El error estándar combinado es de 0,5 puesto que no se trata de una construcción nueva, sino por el contrario, se realizará una sobrecapa. Debido a que el diseño no corresponde a una vía primaria, la serviciabilidad final toma un valor de dos. Por último se utiliza un coeficiente estructural 1 (a1) de 0,3 de acuerdo a las especificaciones de la Tabla 16, tomada del Instituto Nacional de Vías. La desviación estándar normal fue tomada de la Tabla 15. Tabla 15. Desviación estándar normal. Confiabilidad Desviación estándar R (%) normal (ZR) 50 0,000 60 -0,253 70 -0,524 75 -0,674 80 -0,841 85 -1,037 90 -1,282 91 -1,340 92 -1,405 93 -1,476 94 -1,555 95 -1,645 96 -1,751 97 -1,881 98 -2,054
22
Confiabilidad Desviación estándar R (%) normal (ZR) 99 -2,327 99,9 -3,090 99,99 -3,750
Tabla 16. Coeficiente estructural de la subrasante. Temperatura (°C) Coeficiente estructural < 13 0,44 Entre 13 y 20 0,37 Entre 20 y 30 0,3
Finalmente, mediante iteraciones de la Ecuación 3 se obtiene un número estructural corregido presentado en la Tabla 17, así como el error alcanzado debido a dichas iteraciones. Tabla 17. Número estructural corregido. Recálculo de SN Log(N) 7,7087 SN 5,9408 Error 5E-05
Con el valor de SN presentado en la tabla anterior se recalcularon tanto los factores de equivalencia como el número de ejes equivalentes, el cual es presentado en la Tabla 13. Una vez calculados los parámetros de la subrasante se hallaron los valores correspondientes al diseño de la carpeta asfáltica (1), base granular (2) y subbase granular (3). El valor corresponde al CBR para cada una de las capas fue seleccionado según las recomendaciones de los artículos 320 y 330 del Instituto Nacional de Vías, siendo del 95% para la base y 40% para la subbase. Posteriormente haciendo uso de la Ecuación 5 se calcularon los módulos resilientes utilizando los valores de CBR presentados anteriormente. El coeficiente estructural fue calculado mediante la Ilustración 1 y la Ilustración 2 para base y subbase respectivamente.
23
Ilustración 1. Variación de coeficiente a2 con diferentes parámetros de resistencia de la base granular (Fonseca, 2006).
Ilustración 2. Variación de coeficiente a3 con diferentes parámetros de resistencia de la subbase granular (Fonseca, 2006).
24
Las condiciones de drenaje pueden generar variaciones estructurales al pavimento, por tal razón y de acuerdo a la zona del proyecto, acerca de las condiciones geológicas y topográficas que posee la región donde se llevará a cabo el mismo, es completamente necesario suministrar mecanismos adecuados de drenaje en la conformación vial, por lo que se asume un valor de 0,8 tomado de la Tabla 18, el cual corresponde a condiciones de drenaje regular. Tabla 18. Calidad del drenaje (Instituto Nacional de Vías, 1998). Calidad del drenaje Excelente Bueno Regular Pobre Muy pobre
% de tiempo de exposición de la estructura de pavimentos a niveles de humedad próximos a la saturación < 1% 1,40 - 1,35 1,35 - 1,25 1,25 - 1,15 1,15 - 1,05 1,05 - 0,95
1-5% 1,35 - 1,3 1,25 - 1,15 1,15 - 1,05 1,05 - 0,8 0,95 - 0,75
5 - 25 % 1,30 - 1,20 1,15 - 1,00 1,00 - 0,80 0,80 - 0,60 0,75 - 0,40
> 25% 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40
La metodología basa el diseño de pavimentos en la determinación de los números estructurales SN1, SN2 y SN3, en función de las variables anteriormente mencionas. Para su cálculo se tuvo como herramienta el software “ASSTHO-93 para el cálculo del número estructural”. A continuación se presentan los resultados obtenidos.
25
Ilustración 3. Número estructural 2 y 3. En la Tabla 19 se presenta un resumen de los parámetros de cada una de las capas a diseñar y adicionalmente los de la subrasante. Tabla 19. Parámetros correspondientes a cada capa. Capa SN CBR (%) MR (psi) a m
CA 0,3 -
Parámetros de cada capa BASE SUBBASE 3,25 3,93 95 40 47112,3 27083,8 0,14 0,12 0,8 0,8
SUBRASANTE 5,94 5 7157 -
Los parámetros requeridos para el diseño de los espesores mediante la metodología 1 de la AASHTO son mostrados en la Tabla 20.
26
Tabla 20. Parámetros metodología 1 AASHTO. Capa SN CBR (%) MR (psi) a m
Parámetros metodología AASHTO 1 1 2 3 3,25 3,93 5,94 95 40 5,0 47112,3 27083,8 7157 0,3 0,14 0,12 0,8 0,8
Parámetros metodología AASHTO 1 Capa 1 2 3 SN 3,01 3,65 5,57 95 40 CBR (%) 5,0 MR (psi) 47112,3 27083,8 7157 a 0,3 0,14 0,12 m 0,8 0,8
Los resultados obtenidos con la metodología de diseño 1 según la AASHTO 93 son presentados en la Tabla 21. Tabla 21. Espesores de diseño metodología AASHTO 1. Espesores metodología AAHSTO 1 CA BASE SUBBASE h (in) 10,8 5,56 20,5451 h (cm) 27,52 14,13 52,18 h* (cm) 28 15 55 SN* 3,31 3,969 Espesor de la estructura de pavimento 98 cm Capa
Donde (*) significa que dicho valor fue redondeado, en el caso de los espesores, o recalculado, en el caso del número estructural. Debido a las limitaciones constructivas se procedió a aproximar las carpetas asfálticas a múltiplos superiores de 0,5 cm y de las capas restantes a múltiplos superiores de 5 cm, independientemente de la metodología de diseño empleada.
Metodología Instituto Nacional de Vías INVIAS La presente metodología requiere la clasificación de algunas variables para el diseño de la estructura de pavimento según 3 categorías, las cuales están asociadas a las 27
regiones climáticas según temperatura y precipitación (Categoría R), a los rangos de tránsito (Categoría T) y por último a la resistencia de la subrasante (Categoría S). A continuación se muestran los valores representativos de la región estudiada, los cuales permitirán identificar la categoría en la cual encuentra la vía de acuerdo a las tablas presentadas por el INVIAS seguidamente. Tabla 22. Parámetros requeridos metodología INVIAS. Método del INVIAS Parámetro Temperatura promedio TMAP Precipitación promedio PMAX Número de repeticiones de carga N
Valor 30 1000 52418379
Unidad ᵒC mm EE 8,2 t
CBR de la subrasante CBRSR
5
%
Módulo resiliente de la subrasante
503
kg/cm2
La Tabla 23 presenta la selección de la categoría R según la temperatura y precipitación anual de la zona. Tabla 23. Categoría R (Fonseca, 2006). CATEGORÍA (R)
REGIÓN
TEMPERATURA (TMAP) [°C]
PRECIPITACIÓN MEDIA ANUAL (PMA) [mm]
< 13
< 2000
R1
Fría seca y fría semihúmeda.
R2
Templado seco y templado semihúmedo.
13 a 20
< 2000
R3
Cálido seco y cálido semihúmedo.
20 a 30
< 2000
R4 R5 R6
Templado húmedo Cálido húmedo. Cálido muy húmedo.
13 a 20 20 a 30 20 a 30
2000 a 4000 2000 a 4000 > 4000
La categoría S fue seleccionada según el módulo resiliente y el CBR. Tabla 24. Categoría S (Fonseca, 2006). CATEGORÍA (S)
INTERVALO MÓDULO RESILIENTE (Mr) [kg/cm2]
INTERVALO CBR [%]
S1 S2 S3 S4 S5
300 a 500 500 a 700 700 a 1000 1000 a 1500 > 1500
3 ≤ CBR < 5 5 ≤ CBR < 7 7 ≤ CBR < 10 10 ≤ CBR < 15 CBR ≥ 15
28
Ya que se tiene un tránsito acumulado de más de 40 millones de ejes equivalentes de 8,2 ton se seleccionó la categoría T9 como se observa en la Tabla 25. Tabla 25. Categoría T (Fonseca, 2006). DESIGNACIÓN (T) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9
RANGOS DE TRÁNSITO ACUMULADO POR CARRIL DE DISEÑO EN MILLONES (N) [EE8.2t] 0,5 a 1,0 1,0 a 2,0 2,0 a 4,0 4,0 a 6,0 6,0 a 10,0 10,0 a 15,0 15,0 a 20,0 20,0 a 30,0 30,0 a 40,0
Tabla 26. Categorías definidas. Resumen de categorías requeridas por el INVIAS Región climática (R) R3 Resistencia (S) S2 Tránsito (T) T9
Según la Tabla 27 se determinó la carta de diseño a emplear. Tabla 27. Criterios de selección de la carta de diseño (Fonseca, 2006). Carta N°
REGIÓN CLIMÁTICA
RANGO DE TRÁNSITO
RESISTENCIA DE SUBRASANTE (S)
ESPESORES
1 2 3 4 5 6
R1 R2 R3 R4 R5 R6
T1 a T9 T1 a T9 T1 a T9 T1 a T9 T1 a T9 T1 a T9
S1 a S5 S1 a S5 S1 a S5 S1 a S5 S1 a S5 S1 a S5
Variable Variable Variable Variable Variable Variable
29
Tabla 28. Carta N° 3. Región 3 – Cálido seco, cálido semihúmedo (Instituto Nacional de Vías, 1998).
30
Tabla 29. Espesores de diseño Metodología INVIAS. Espesores de diseño - Metodología INVIAS Capa Espesor Carpeta asfáltica 15 cm Base granular 35 cm Subbase granular 45 cm Estructura total 95 cm
Método AASTHO 93 - Metodología 2 Empleando el número estructural de la subrasante obtenido mediante la metodología AAHSTO 1, al igual que los coeficientes estructurales y el valor del drenaje, se asumieron diferentes valores del espesor de la carpeta asfáltica con el fin de hallar los espesores de las capas subyacentes. Además, se obtuvieron los nuevos valores a emplear para el número estructural de cada capa de la estructura de pavimento. Tabla 30. Espesores de diseño Metodología AASHTO 2. Capa CA BG SB CA BG SB CA BG SB
DISEÑO DE PAVIMENTO METODOLOGÍA AASHTO 2 h (cm) h* (cm) a m SN Alternativa 1 12 12 0,3 1,42 51,29 55 0,14 0,8 2,262 59,84 60 0,12 0,8 2,262 Alternativa 2 15 15 0,3 1,77 47,28 50 0,14 0,8 2,085 55,15 60 0,12 0,8 2,085 Alternativa 3 17 17 0,3 2,01 44,60 45 0,14 0,8 1,966 52,03 55 0,12 0,8 1,966
SN* 1,417 2,425 2,268 1,772 2,205 2,268 2,008 1,984 2,079
Tabla 31. Espesores de las estructuras de pavimentos y números estructurales totales. Alternativa Estructura total de pavimento SN total 1 1,27 m 6,110 2 1,25 m 6,244 3 1,17 m 6,071
31
De acuerdo a los espesores calculados anteriormente con la metodología del INVIAS, el cual estipula los espesores mínimos para el diseño, es posible descartar la alternativa 1 de la presente metodología ya que el espesor de la carpeta asfáltica es inferior a 15cm.
Metodología Instituto del Asfalto El procedimiento de diseño utilizando la metodología propuesta por el Instituto del Asfalto requiere inicialmente la estimación del tránsito esperado durante el período de diseño, siendo éste expresado como el número de ejes equivalentes de 8,2 toneladas en el carril de diseño, el cual fue calculado en el presente informe en la sección del estudio de tránsito. Adicionalmente se requiere determinar la resistencia de los suelos típicos de la subrasante para finalmente hacer la elección del tipo de base y capa de rodadura de acuerdo a las gráficas propuestas por la metodología. Los datos requeridos para llevar a cabo el diseño son presentados a continuación. Tabla 32. Datos de entrada para el método del instituto de asfalto. Método del Instituto del asfalto Parámetro Valor Número de repeticiones de carga N 52418379 CBR de la subrasante CBRSR 5 Módulo resiliente de la subrasante MR 7157 Módulo resiliente de la subrasante MR 503
Unidad EE 8,2 t % psi kg/cm2
Tomando como referencia la Tabla 33, la cual especifica los espesores mínimos a utilizar de capa asfáltica de acuerdo al nivel del tránsito y al tipo de base asfáltica empleada, se identificó un espesor mínimo de 12,5 cm para el proyecto, debido a que en éste se presenta un tránsito mayor a 10 millones de ejes equivalentes.
32
Tabla 33. Tabla de espesores mínimos de concreto asfáltico para bases estabilizadas. Espesores mínimos de concreto asfáltico sobre bases de otra clase Bases estabilizadas con emulsión asfáltica Espesores mínimo sobre bases tipo II, Nivel de tránsito III* (cm) 104 5 105
5
106
7,5
7
10 >107
10 12,5
*Sobre las bases de tipo II y III puede colocarse una del tipo I y un tratamiento superficial en lugar del concreto asfáltico.
Se requiere entonces determinar el espesor de la base estabilizada en función del tránsito y el módulo resiliente de la subrasante como se muestra en las siguientes gráficas, tanto para emulsiones tipo I, tipo II y tipo III. Es importante notar que la Gráfica 5 y Gráfica 6 dan el espesor total de la estructura de pavimento, por tal razón se deberá restar el valor obtenido de carpeta asfáltica para un nivel de tránsito superior a 10 millones de ejes equivalentes, es decir 12,5 cm. Para el diseño del espesor total de la estructura en concreto asfáltico es utilizada la Gráfica 7.
Gráfica 5. Diagrama de diseño para base estabilizada con emulsión tipo I.
33
Gráfica 6. Diagrama de diseño para base estabilizada con emulsión tipo II.
Gráfica 7. Diagrama de diseño para espesor pleno en concreto asfáltico.
Los resultados para el diseño obtenidos, empleando la presente metodología, se muestran a continuación. Tabla 34. Espesores de Diseño metodología Instituto del Asfalto- Bases estabilizadas.
Tipo de base estabilizada I II
PAVIMENTO CON BASES ESTABILIZADAS Espesor de la Espesor de la base Espesor total del capa asfáltica estabilizada (cm) pavimento (cm) (cm) 12,5 35 47,5 12,5 45 55
34
Tabla 35. Espesores de Diseño metodología Instituto del Asfalto- Concreto Asfáltico pleno. ESPESOR PLENO EN CONCRETO ASFÁLTICO Espesor (cm) 47,5
Tabla 36. Períodos de análisis recomendados (Fonseca, 2006).
Categoría de la vía I II III Especial
Periodos de análisis recomendados Periodo de análisis (P.A) años Periodo recomendado Rango Geometría fija Condiciones inciertas 20-40 30 15-30 30 25 10-30 30 20 10-30 30 20-25
SECCIONES TRANSVERSALES A continuación se presentan ilustraciones de las secciones transversales para cada uno de los diseños de pavimento flexible calculados previamente.
CA
28 cm
BG
15 cm
SB
55 cm
CA BG SB
AASHTO 1 28 cm 15 cm 55 cm
Ilustración 4. Sección transversal metodología AASHTO 1.
35
CA
12 cm
BG
55 cm
SB
60 cm
CA BG SB
Alternativa 1 12 cm 55 cm 60 cm
Ilustración 5. Sección transversal metodología AASHTO 2 - Alternativa 1.
CA
15 cm
BG
50 cm
SB
60 cm
CA BG SB
Alternativa 2 15 cm 50 cm 60 cm
Ilustración 6. Sección transversal metodología AASHTO 2 - Alternativa 2.
CA
17 cm
BG
45 cm
SB
55 cm
Alternativa 3 CA 17 cm BG 45 cm SB 55 cm
Ilustración 7. Sección transversal metodología AASHTO 2 - Alternativa 3. 36
CA
15 cm
BG
35 cm
SB
45 cm
CA BG SB
INVIAS 15 cm 35 cm 45 cm
Ilustración 8. Sección transversal metodología INVIAS.
CA BG
12,5 cm 35 cm
Emulsión tipo I CA 12,5 cm Base 35 cm
Ilustración 9. Sección transversal metodología Instituto del Asfalto – Emulsión tipo I.
CA
B
12,5 cm 45 cm
Emulsión tipo II CA 12,5 cm Base 45 cm
Ilustración 10. Sección transversal metodología Instituto del Asfalto – Emulsión tipo II.
Concreto Asfáltico
47,5 cm
Pleno en concreto asfáltico CA 47,5 cm
Ilustración 11. Sección transversal metodología Instituto del Asfalto – Pleno en concreto asfáltico. 37
PRESUPUESTO Con el fin de identificar el diseño más viable económicamente, se realizó la siguiente evaluación financiera tomando como referencia los valores obtenidos de un análisis de precios unitarios, presentado en la Tabla 37. Tabla 37. Precios unitarios. Descripción Und Explanaciones Excavaciones en material común de la explanación bajo cualquier grado de humedad. Incluye conformación, nivelación y compactación de la subrasante de corte, remoción de la capa vegetal o descapote, afinamiento de taludes, transporte m3 interno y externo y botada de material proveniente de las excavaciones en los sitios donde lo indique la interventoría y todo lo necesario para su correcta ejecución según la presente especificación. Bases y subbases granulares Suministro, transporte, colocación y compactación de Subbase granular Clase A m3 compactada al 98% del ensayo proctor modificado. Suministro, transporte, colocación y compactación de Base granular Clase A compactada al 100% del ensayo proctor modificado. Pavimentos asfálticos Suministro, transporte, colocación y compactación de carpeta asfáltica para cualquier tipo de MDC. Suministro, transporte y colocación de riego de imprimación con emulsión asfáltica tipo CRL-1.
V/R unit.
$ 25.000
$ 75.000
m3
$ 85.000
m3
$ 450.000
m2
$ 1.783
La cantidad de material según cada metodología fue cuantificado mediante las siguientes ecuaciones, teniendo en cuenta un desperdicio del 15%. 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = ℎ1 + ℎ2 + ℎ3 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑖𝑖 = ℎ𝑖𝑖 ∗ 𝐿𝐿 ∗ 𝑐𝑐
𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 1,15 ∗ � 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑎𝑎𝑖𝑖
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸ó𝑛𝑛 = 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 ∗ 𝑉𝑉. 𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑎𝑎𝑖𝑖 = 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑎𝑎𝑖𝑖 ∗ 𝑉𝑉. 𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑎𝑎𝑖𝑖 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸. 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 = � 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑎𝑎𝑖𝑖
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖ó𝑛𝑛 = 𝐿𝐿 ∗ 𝑐𝑐 ∗ 𝑉𝑉. 𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸ó𝑛𝑛 + 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸. 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 + 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 38
Donde: L: longitud del tramo de vía. c: ancho de la calzada. h1: espesor de la carpeta asfáltica. h2: espesor de la base granular. h3: espesor de la subbase granular. Los valores requeridos para calcular el presupuesto son presentados en la Tabla 38. Tabla 38. Características de la vía. Parámetro Longitud L Ancho de calzada
Valor 2500 7
Unidad m m
Área de calzada
17500
m2
Las cantidades requeridas para los diseños escogidos son mostradas a continuación. Tabla 39. Cantidades requeridas para los diseños, volúmenes y espesores. Espesores (m)
Capa Método AASTHO Metodología 1 Alternativa 2 AASHTO Metodología 2 Alternativa 3 INVIAS Tipo I Instituto del Tipo II asfalto Concreto
Capa Método AASTHO Metodología 1 Alternativa 2 AASHTO Metodología 2 Alternativa 3 INVIAS Tipo I Instituto del Tipo II asfalto Concreto
Carpeta asfáltica 0,28 0,15 0,17 0,15 0,125 0,125 47,5
Base
Subbase
Estructura total
0,15 0,5 0,45 0,35 0,35 0,45 0
0,55 0,6 0,55 0,45 0 0 0
0,98 1,25 1,17 0,95 0,475 0,575 47,5
Volumen (m3) Carpeta asfáltica
Base
Subbase
Estructura total
Total más desperdicio
4900 2625 2975 2625 2187,5 2187,5 831250
2625 8750 7875 6125 6125 7875 0
9625 10500 9625 7875 0 0 0
17150 21875 20475 16625 8312,5 10062,5 831250
19722,5 25156,25 23546,25 19118,75 9559,375 11571,875 955937,5
39
Tabla 40. Costo de las estructuras de pavimento. Costo Estructura de Riego de pavimento imprimación
Capa Método
Excavación
AASTHO Metodología 1 Alternativa 2 AASHTO Metodología 2 Alternativa 3 INVIAS Tipo I Instituto del Tipo II asfalto Concreto
$ 493.062.500 $ 3.150.000.000 $ 628.906.250 $ 2.712.500.000 $ 588.656.250 $ 2.730.000.000 $ 477.968.750 $ 2.292.500.000 $ 238.984.375 $ 1.505.000.000 $ 289.296.875 $ 1.653.750.000 $ 23.898.437.500 $ 374.062.500.000
$ 31.202.500 $ 31.202.500 $ 31.202.500 $ 31.202.500 $ 31.202.500 $ 31.202.500 $ 31.202.500
Total $ 3.674.265.000 $ 3.372.608.750 $ 3.349.858.750 $ 2.801.671.250 $ 1.775.186.875 $ 1.974.249.375 $ 397.992.140.000
De acuerdo a los espesores calculados mediante la metodología del Instituto Nacional de Vías se tiene que el espesor mínimo para la carpeta asfáltica es de 15 cm, base granular de 35 cm y subbase granular de 45 cm. De lo anterior es posible decir que los diseños realizados por las metodología del instituto del asfalto, para emulsiones tipo I y II, y la AASHTO 1 no cumplen con los requerimientos mínimos establecidos por el INVIAS. Además se observa que para el diseño de la estructura de pavimento obtenida mediante el instituto del asfalto para espesor pleno de concreto asfáltico, económicamente es la alternativa menos viable, ya que su diferencia en costos es significativamente alta respecto a los demás diseños calculados. Finalmente se elige el diseño de estructura de pavimento flexible correspondiente a la alternativa 3 de la metodología AASHTO 2 debido a que cumple los requerimientos mínimos de diseño establecidos por el INVIAS y además es la alternativa más viable desde el punto de vista económico.
DISEÑO DEFINITIVO DE PAVIMENTO FLEXIBLE En la Tabla 41 y Tabla 42 se presenta el diseño definitivo para los 2,5 km de vía analizados. Tabla 41. Espesores del diseño final de pavimento flexible. Carpeta asfáltica 0,17
ESPESOR (m) Base Subbase 0,45
0,55
Estructura total 1,17
40
Tabla 42. Costos del diseño final de pavimento flexible.
Excavación $ 588.656.250
COSTO Estructura de Riego de pavimento imprimación $ 2.730.000.000 $ 31.202.500
Total $ 3.349.858.750
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Al momento de diseñar un pavimento flexible, se deberá utilizar al menos dos métodos de diseño para verificar la validez de los resultados del primer método y así tener presente un factor de seguridad ante errores de implementación de variables en el diseño. Los materiales granulares que se utilicen en los diseños de pavimentos flexibles, deberán cumplir la granulometría y ensayos adecuados para su funcionamiento, ya que de no ser así, el pavimento no estará en la capacidad de realizar la transmisión de cargas, drenaje y demás funciones de forma adecuada, ocasionando una falla en la estructura ya sea por presencia de agua o por sobrecargas en ésta. Se recomienda cumplir a cabalidad los requisitos técnicos para la compactación de las capas que conforman la estructura de pavimento y así mismo la de la carpeta de rodadura, de lo contrario se deberá realizar la remoción del material. Con el fin de tener un diseño estructural de pavimento eficiente es recomendable considerar el diseño geométrico y las características topográficas del terreno de la vía, como transiciones de peralte en curvas horizontales, curvas verticales, puentes, intersecciones, taludes, terraplenes, entre otros aspectos físicos de la zona a intervenir, con el fin de mitigar la incertidumbre de puntos que puedan determinar zonas críticas de falla para el pavimento. Al momento de realizar el diseño de una estructura de pavimento deben considerarse aspectos técnicos, logísticos y económicos que puedan optimizar el proceso constructivo de éste, como proveedores de materiales, distancias de acarreo, licencias, entre otros. El diseñador debe decidir el valor de CBR de la subrasante aportado por los estudios de suelos de los ensayos que él considere necesario por las condiciones que se tenga en el proyecto. Es importante anotar que si el estudio de suelos ostenta varios ensayos, con el cual se pueda determinar el valor de CBR para la subrasante, el diseñador deberá escoger un método y con ese valor de CBR debe realizar el análisis por las diversas metodologías de diseño para un pavimento flexible. Es decir, no se deberán utilizar distintos valores de CBR para el diseño de pavimentos mediante diferentes metodologías. 41
En el proceso de compactación en curva se recomienda instalar inicialmente la parte inferior y avanzar en el sentido del peralte máximo, mientras que en zonas tangentes la compactación se deberá iniciar desde el borde exterior, avanzando hasta el centro de la vía. Si se logra representar exactamente las condiciones externas a la estructura a partir de los parámetros de diseño, se obtendrá una estructura de pavimento de alta calidad y estabilidad. La estructura de pavimento propuesta, diseñada mediante la metodología AASHTO 2, es la más viable económicamente. Sin embargo, se debe garantizar el cumplimiento de los requerimientos de diseño, de los materiales y constructivos, con el fin de asegurar la estabilidad de la estructura de pavimento.
42
BIBLIOGRAFÍA Fonseca, A. M. (2006). Ingeniería de pavimentos. Bogotá D.C.: Universidad católica de Colombia. Instituto Nacional de Vías. (1998). Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito. Popayán, Cauca: Ministerio de transporte. Ministerio de transporte, INVIAS. (2013). Especificaciones técnicas. En Afirmados, basus y subbases. Bogotá.
43
ANEXOS Información geotécnica del suelo de estudio
Anexo 1. Información sondeo 1 K0+500. 44
Anexo 2. Información sondeo 2 K1+000.
45
Anexo 3. Información sondeo 3 K1+500.
46
Anexo 4. Información sondeo 4 K2+000.
47
Anexo 5. Información sondeo 5 K2+500.
48
Especificaciones del Instituto Nacional de Vías Cada material debe cumplir las características expresadas en las siguientes tablas tomadas de las especificaciones de Instituto Nacional de Vías (INVIAS).
Anexo 6. Requisitos de los agregados para bases granulares (Ministerio de transporte, INVIAS, 2013). 49
Anexo 7. Franjas granulométricas del material de base granular (Ministerio de transporte, INVIAS, 2013).
Anexo 8. Requisitos de los agregados para sub-bases granulares (Ministerio de transporte, INVIAS, 2013). 50
Anexo 9. Franjas granulométricas del material de sub-base granular (Ministerio de transporte, INVIAS, 2013).
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