Universidad de Cartagena

UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 8º SEMESTRE

PROYECTO DE DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE PARA LA VIA VI A CARTAGENA- TE DE SANTA ROSA

CAROLINE AVENDAÑO CAMARGO XAVIER RAMOS PAUTT

ING: HECTOR SANCHEZ S ANCHEZ

CARTAGENA-COLOMBIA OCTUBRE 5 DE 2011

TABLA DE CONTENIDO

1.

ALCANCE DEL PROYECTO .......................................................... ........................................................................................... ................................. 3

2.

........................................................................ ........... 4 CARACTERISTICAS DEL PROYECTO .............................................................

3.

CALCULO DEL CBR DE LA SUBRASANTE ............................................................... 7

4.

DETERMINACION DEL STIFFNESS DE LA MEZCLA .............................................. 9

5.

................................................................... ......... 10 DISEÑO POR EL METODO AASHTO-93 ..........................................................

1. ALCANCE DEL PROYECTO

El presente proyecto tiene como finalidad el diseño y chequeo del pavimento flexible para la ampliación de un tramo de la vía Cartagena Te de Santa Rosa. Se planea la ampliación a 2 carriles de la vía preexistente, para esto, en el presente proyecto se ha diseñado el pavimento flexible por el método Aastho93 y se han verificado los estados de falla por el método Mecanicista. El presente proyecto busca dimensionar las capas de pavimento de tal forma que los espesores de capa cumplan eficazmente los requerimientos de tracción y compresión a los que será sometido el pavimento durante el periodo de diseño, además el pavimento debe cumplir con los requerimientos del tránsito a los que será expuesto. El dimensionamiento del pavimento debe además cumplir con los requerimientos de diseño y funcionalidad descritos por el instituto nacional de vías (INVIAS).

2. CARACTERISTICAS DEL PROYECTO La vía existente cuenta con una calzada de 2 carriles y se planea la ampliación a 4 carriles tomando como periodo de diseño 10 años comprendido entre 20132022, y, utilizando los datos históricos de TPD proporcionados por la estación INVIAS 518 para el cálculo de número de ejes equivalentes a 8,2 Tn, teniendo como base la composición vehicular del año 2008. En la tabla 1, se muestran los valores históricos de TPD dados por la estación 518 Tabla 1. TPD Estación 518

AÑO

TPD Historico

1968

1237

1969

1446

1971

1537

1972

1676

1973

1790

1974

2036

1975

2146

1976

2399

1977

2076

1978

2538

1979

2970

1980

2618

1981

2538

1982

2628

1983

2488

1984

2693

1985

2280

1986

2812

1987

2925

1989

3166

1990

2471

1991

3241

1992

3213

1993

3106

1994

3008

1995

3088

1996

2599

1997

3276

1998

2700

1999

3062

2000

3118

2002

3156

2003

2988

2004

2948

2005

3465

2006

3466

2007

3693

2008

5343

Figura 1. Estimación de la regresión, Año Vs TPD histórico. AÑO vs TPD HISTORICO 6000 y = 51,43x - 99523 R² = 0,696

5000 4000 D P T

3000 Lineal (Series1)

2000 1000 0 1960

1970

1980

1990

2000

2010

AÑO

Tabla 2. TPD estimado para el periodo de diseño AÑO

TPDS

TRAFICO ANUAL

2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022

4006 4057 4108 4160 4211 4263 4314 4366 4417 4468

1462190 1480805 1499420 1518400 1537015 1555995 1574610 1593590 1612205 1630820

Trafico Periodo total de diseño

15465050

En la tabla 3 se muestran los valores de composición vehicular dados por INVIAS, estación 518 para el año 2008

Tabla 3. Composición vehicular Año 2008 AÑO

TPDS

2008

2488

AUTOS 30%

COMPOSICION % BUSES CAMIONES 40%

C - 2P

COMPOSICION CAMIONES % C - 2G C-3-4 C-5

35,78%

25,26%

14,97%

8,67%

30%

>C - 5 15,32%

Utilizando los valores de transito promedio anual obtenidos en la tabla 2, y la composición vehicular de la tabla 3, podemos obtener la distribución de los vehículos comerciales para el periodo de diseño.

Tabla 4. Distribución vehicular para el periodo de diseño DISTRIBUCION DE LOS CAMIONES TIPO

COMPOSICION, %

NUMERO VEHICULOS

C - 2P C - 2G C-3-4 C-5 >C - 5

35,78% 25,26% 14,97% 8,67% 15,32%

1660018 1171941 694535 402246 710774

TOTAL

100,00%

4639515

En la tabla 5, procedemos a la obtención del número de ejes equivalentes a 8,2 Tn para el periodo de diseño, utilizando los datos de vehículos comerciales de la tabla 4.

Tabla 5. Numero de ejes equivalentes a 8,2 Tn total, para el periodo de diseño TIPO

No Vehiculos

Factor Daño

No Ejes Equivalentes

AUTOMOVILES BUSES C - 2P C - 2G C-3-4 C-5 >C - 5 Total

4639515 6186020 1660018 1171941

0 0,4 1,14 3,44

0 2474408 1892421 4031477

694535 402246 710774

6,73 4,4 4,72

4674221 1769882 3354853

15465049

1,82E+07

Debido a que la vía tiene una distribución bidireccional y además tendrá cuatro carriles en funcionamiento el N hallado en la tabla 5 deberá ser multiplicado por un 50% y un 80% para suplir estas dos condiciones de funcionalidad.

Tabla 6.Numero de ejes equivalentes de diseño. Distribucion bidireccional

50%

4 carriles

80%

Numero de Ejes Equivalentes a 8,2 ton para el carril de Diseño (Nd)

7,28E+06

3. CALCULO DEL CBR DE LA SUBRASANTE

Para el presente proyecto se realizaron sondeos de campo en k0+250, k0+750, k1+250, k1+750, k2+250, k2+750, k3+250, k3+750, para cada sondeo se realizaron ensayos de granulometría, plasticidad CBR, entre otros. Además de ello se anexaron al diseño estudios de humedad relativa, condiciones climáticas, evaporación y temperatura anual.

Al analizar las graficas de humedad relativa, % de evaporación y % de precipitación se pudo observar que la mayoría de las precipitaciones no sobrepasan los de evaporación de la zona, dicho en otras palabras, la máxima precipitación presentada en la graficas fue de aproximadamente 200 mm, sin embargo esto solo ocurrió en 1 mes del año, en los demás meses no sobrepasaron los 150 mm, por otra parte la evaporación promedio era de aproximadamente 200mm, esto nos indica que la temperatura de la zona será suficiente para evaporar el agua que se presente a causa de altas precipitaciones. Por todo lo anterior se opto por un pavimento con un CBR no sumergido. En la tabla 7, se muestran los valores de CBR dados por los ensayos de cada sondeo para penetraciones de 0,1 y 0,2 y, posteriormente el CBR escogido para cada sondeo.

Tabla 7. CBR Escogido por sondeo. Sondeo S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8

Penetracion

Sin sumergir Lectura

Carga

0.1

61

40,9

0.2

106

71

0.1

68

45,6

0.2

118

79,1

0.1

38

25,5

0.2

56

37,5

0.1

38

25,5

0.2

56

37,5

0.1

33

22,1

0.2

57

38,2

0.1

54

36,2

0.2

95

63,7

0.1

116

77,7

0.2

165

110,6

0.1

30

20,1

0.2

52

34,8

Expansion

Esfuerzo suelo patron

CBR SIN SUMERGIR

1000

4,090

1,39

1500

4,733

1000

4,560

1,06

1500

5,273

1000

2,550

1,58

1500

2,500

1000

2,550

1,03

1500

2,500

1000

2,210

0,87

1500

2,547

1000

3,620

2,02

1500

4,247

1000

7,770

0,72

1500

7,373

1000

2,010

0,81

1500

2,320

CBR ESCOGIDO SIN SUMERGIR 4,733 5,273

2,550 2,550

2,547 4,247 7,770

2,320

Tabla 8. CBR ordenado #

CBR ESCOGIDO

CBR's MAYOR O IGUAL

%

1

2,320

8,00

100,00

2

2,547

7,00

87,50

3

2,550

6,00

75,00

4

2,550

6,00

75,00

5

4,247

4,00

50,00

6

4,733

3,00

37,50

7

5,273

2,00

25,00

8

7,770

1,00

12,50

CBR (87.5%)

bn

Debido a que la variable de transito N es alta (> 1*10^6), el CBR de la subrasante escogido será el perteneciente a un porcentaje de 87,5%, para en la figura 2, se muestra el CBR de la subrasante para el porcentaje dado.

Figura 2. Estimación de la regresión, Año Vs TPD histórico. CBR vs PORCENTAJES 120,00 100,00 S E J A T N E C R O P

2,547; 87,50

80,00 60,00

CBR vs PO RCENTAJE

40,00 20,00 0,00 0,000

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

8,000

9,000

CBR

Debido a que el CBR (87,5%)=2.547% que es menor de 3% debe mejorarse utilizando el criterio de Ivanov. En la tabla 9 se muestran los valores de CBR obtenidos por el criterio de Ivanov.

Tabla 9. CBR mejorado

4. DETERMINACION DEL STIFFNESS DE LA MEZCLA Para determinar el valor del stiffness de la mezcla debemos utilizar los valores de temperatura media para cada mes, tiendo para cada uno un factor de ponderación f, para posteriormente hallar un factor promedio de ponderación y entrar en los monogramas de factor de ponderación y encontrar la temperatura media de la zona. Una vez encontrada la temperatura media y, teniendo en cuenta que T800=49º, y el tiempo de aplicación es de 0.02 seg se procedió a estimar la temperatura de la mezcla  a partir del monograma 4.36. Con estos datos podemos obtener  asfalto.

   ,

y con ello el stiffness del

Tabla 10. Estimación del factor de ponderación promedio

Tabla 11. Estimación del stiffness de la mezcla

5. DISEÑO POR EL METODO AASHTO-93

Utilizando los datos anteriormente establecidos en el presente proyecto se procedió a utilizar el programa AASHTO-93, con el fin de establecer las dimensiones de las capas de pavimento que mejor se ajusten a las necesidades de la vía. Para este propósito, establecimos un coeficiente de confiabilidad de 93% y una desviación estándar de 0.49, considerando que la vía que se esta diseñando es de tipo rural de carácter interestatal y, considerando la varianza del transito. Para el proyecto se consideró que la carretera era de tipo principal, y por ende el índice de serviciabilidad inicial toma fue de 4,2 y el inicial fue 2,5. Utilizando los datos de precipitaciones pudimos establecer el pavimento estará expuesto a la humedad será mayor al 25%. Estableciendo un drenaje excelente, es decir que el agua en la vía debe drenar en solo 2 horas se establecieron los coeficientes m1, m2 y m3 de 1.0, 1.2 y 1.2 respectivamente. Se procedió al diseño por AASHTO 93 para los CBR mejorados estimados en la tabla 9. Utilizando CBR De la base granular de 80% y 100% y CBR de la subbase de 25%.

Figura 3. Diseño AASHTO-93 Alternativa 1a

Figura 4. Diseño AASHTO-93 Alternativa 1b

Figura 5. Diseño AASHTO-93 Alternativa 1c

Figura 6. Diseño AASHTO-93 Alternativa 1d








Para un CBR de la base granular de 100% se tienen los siguientes diseños: Figura 14. Diseño AASHTO-93 Alternativa 1a








Se han descartado las alternativas que no consideran alguna de las capas de pavimento, es decir aquellas en las que el D* obtenido sea 0. A partir del 2b los espesores de las capas se mantienen en 10” para la capa asfáltica, 6” para la base granular y 6” para la subbase granular , se han escogido las alternativas de diseño que necesiten menor espesor de mejoramiento, es decir las alternativas 1b, 2a, 3ay 4a. Podemos ver que para los diferentes CBR obtenidos en el mejoramiento, estos espesores son los que aparecen con más frecuencia, es por ello que para este proyecto se han escogido dichos espesores de capa.

1. DISEÑO POR MÉTODO MECANICISTA

Utilizando los datos obtenidos por el método de la aashto-93, y gracias al programa de modelación Windepav, es posible encontrar los valores de deformación para el pavimento diseñado. En la tabla 12 se muestran los valores obtenidos de módulos de elasticidad para cada capa del pavimento, obtenidos para las alternativas 1b, 2a, 3a, 4a.

Tabla 12. Estimación los módulos de elasticidad Alternativa CBR subrasante mejorada MR (Kg/Cm2) BASE (mm) SUBBASE (mm)

Esb

Eb

E mix (kg/cm2)

1b

5,16

420

152

178

587

1126

13133

2a 3a 4a

5,54 7,19 8,69

441 532 609

152 152 152

152 152 152

547 547 547

1049 1049 1049

13133 13133 13133

Para el concreto asfaltico que se tomó una relación de Poisson de 0.3 debido a que el Smix<500 Ksi, para la base granular y la subbase se tomaron coeficientes de 0.35, mientras que para la subrasante se tomó una relación de 0.4.

Alternativa1b

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