Volumen Vi. Estudio Geotecnico Para El Diseño Del Pavimento - Final Dic

ELABORACIÓN DE LOS ESTUDIOS A NIVEL DE FASE III DE LA VÍA PASO DE LA TORRE – MULALÓ - LOBOGUERRERO ESTUDIO GEOTÉCNICO PARA El DISEÑO DEL PAVIMENTO CONTENIDO

INTRODUCCIÓN_________________________________________________________5 1

OBJETIVO Y ALCANCES_______________________________________________5

2

LOCALIZACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO_______________________6

3

INFORMACIÓN EXISTENTE__________________________________________22

4

TRABAJOS DE CAMPO_______________________________________________22

5

4.1

TRABAJOS DE CAMPO__________________________________________22

4.2

ENSAYOS DE LABORATORIO____________________________________23

CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS___________________________________24 5.1

PERFIL ESTRATIGRÁFICO______________________________________24

5.2

CAPACIDAD DE SOPORTE_______________________________________30

6

ESTUDIO DE TRÁNSITO_____________________________________________31

7

FUENTES DE MATERIALES__________________________________________34

8

7.1

Canteras existentes o que han sido explotadas_________________________35

7.2

Posibles Canteras para el proyecto___________________________________37

DISEÑO DE PAVIMENTO_____________________________________________37 8.1

TRAMOS EN PAVIMENTO FLEXIBLE_____________________________38

8.1.1

Tránsito_______________________________________________________43

8.1.2

Confiabilidad___________________________________________________43

8.1.3

Índice de servicio________________________________________________43 I

8.1.4

Caracterización de los materiales de las capas de pavimento______________43

8.1.5

Coeficiente de drenaje____________________________________________44

8.1.6

Módulo de la subrasante__________________________________________44

8.1.7

Número estructural (Sn)___________________________________________45

8.2

RESULTADOS OBTENIDOS______________________________________46

8.3

VERIFICACIÓN DEL DISEÑO____________________________________46

8.4

TRAMOS EN PAVIMENTO RÍGIDO_______________________________49

8.5

RESULTADOS OBTENIDOS______________________________________51

8.6

MODULACIÓN DE LOSAS_______________________________________52

8.6.1

Aspectos Generales______________________________________________52

8.6.2

Corte y sellado de junta de contracción transversal con pasajuntas (Tipo 1)__53

8.6.3

Corte y sellado de junta longitudinal de construcción con pasajuntas (Tipo 2)_54

8.6.4

Corte y sellado de junta transversal de construcción con pasajuntas (Tipo 3)__55

8.6.5

Corte y sellado de junta transversal de construcción con pasajuntas (Tipo 3)__56

8.6.6

Junta de Expansión (Tipo 4)_______________________________________56

8.6.7

Modulación en Intersecciones y Losas Reforzadas______________________58

8.7

DISEÑO DE ANDENES Y CICLO-RUTA____________________________59

8.8

ESPECIFICACIONES____________________________________________59

8.8.1

Concreto asfáltico_______________________________________________59

8.8.2

Concreto hidráulico______________________________________________59

8.8.3

Base Granular___________________________________________________60

8.8.4

Subbase Granular________________________________________________60

9

SECCIONES TRANSVERSALES TÍPICAS_______________________________60

10

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES______________________________60 II

ANEXOS

ANEXO 1

REGISTROS DE CAMPO

ANEXO 2

DETALLE ENSAYOS DE LABORATORIO

ANEXO 3

MEMORIAS DE CÁLCULO

ANEXO 4

SECCIONES TRANSVERSALES TÍPICA

ANEXO 5

PLANOS CON MODULACIÓN DE LOSAS

LISTADO DE CUADROS Cuadro No. 1 Tramos de estudio.........................................................................................9 Cuadro No. 2 Localización de los apiques........................................................................23 Cuadro No. 3 Resumen ensayos de laboratorio................................................................28 Cuadro No. 4 Resumen ensayos de laboratorio (Continuación).....................................29 Cuadro No. 5 Resultados ensayos de CBR inalterado.....................................................30 Cuadro No. 6 Valores de CBR de diseño...........................................................................31 Cuadro No. 7 Composición vehicular...............................................................................33 Cuadro No. 8 Factores de daño.........................................................................................33 Cuadro No. 9 Numero de repeticiones de carga por eje...................................................34 Cuadro No. 10 Canteras que han sido explotadas, cercanas al proyecto........................36 Cuadro No. 11 Tipo de pavimento para cada tramo.........................................................38 Cuadro No. 12 Estaciones pluviométricas analizadas.....................................................40 Cuadro No. 13 Coeficientes de capa de diseño con método Invias..................................41 III

Cuadro No. 14 Coeficientes de drenaje de diseño con método Invias.............................42 Cuadro No. 15 Coeficientes de capa de diseño con método AASHTO............................44 Cuadro No. 16 Coeficientes de drenaje de diseño con método AASHTO.......................44 Cuadro No. 17 Módulos de la subrasante de diseño........................................................45 Cuadro No. 18 Espesores de tramos en pavimento flexible método AASHTO...............46 Cuadro No. 19 Niveles de confiabilidad empleados.........................................................47 Cuadro No. 20 Espesores de pavimento obtenidos en la verificación.............................48 Cuadro No. 21 Espesores de pavimento recomendados...................................................48 Cuadro No. 22 Resumen de estructuras de pavimento recomendadas............................61

LISTADO DE FIGURAS Figura No. 1 Localización del proyecto.............................................................................7 Figura No. 2 Alternativa de trazado seleccionada............................................................8 Figura No. 3 Sección Típica Vía en Superficie. Vía bidireccional.................................10 Figura No. 4 Sección Típica Tramo Inicial. Se incorpora un andén con cicloruta......11 Figura No. 5 Sección Típica Puentes Vía bidireccional.................................................12 Figura No. 6 Sección Típica Túneles Cortos...................................................................13 Figura No. 7 Sección Típica en Túneles Largos.............................................................14 Figura No. 8 Sección Típica en cercanías a la vía de acceso a Mulaló.........................15 Figura No. 9 Sección Típica en inmediaciones del corregimiento de Pavas.................15 Figura No. 10 Perfil Estratigráfico..................................................................................26 Figura No. 11 Perfil Estratigráfico (Continuación)........................................................27

IV

ELABORACIÓN DE LOS ESTUDIOS A NIVEL DE FASE III DE LA VÍA PASO DE LA TORRE – MULALÓ - LOBOGUERRERO ESTUDIO GEOTÉCNICO PARA El DISEÑO DEL PAVIMENTO INTRODUCCIÓN En el siguiente informe se presentan y describen las actividades de campo y laboratorio y los análisis y resultados obtenidos durante el desarrollo del Estudio Geotécnico para el diseño del pavimento de la Carretera Paso de la Torre – Mulaló – Loboguerrero, desde el K0+000, Intersección Panorama, hasta el K31+820, en cumplimiento del contrato suscrito entre el Consorcio DIS S.A. - EDL LTDA y el Instituto Nacional de Vías cuyo objeto es: “Elaboración de los Estudios a Nivel de Fase III de la vía Paso de la Torre – Mulaló – Loboguerro”. Los estudios presentados a continuación y el desarrollo de los mismos se efectuaron dando alcance a lo establecido en los Requerimientos Técnicos del Concurso de Méritos No CMSGT-SAT-033-2008, Módulo 2, específicamente en el Capítulo III, Descripción detallada de los servicios requeridos, resultados y/o productos esperados, Volumen VI, Estudio geotécnico para el diseño del pavimento.

1

OBJETIVO Y ALCANCES

Los trabajos adelantados tuvieron como objetivo general determinar con base en la resistencia de la subrasante, el tránsito proyectado que utilizará la vía y el estudio de fuentes de materiales el tipo de estructura de pavimento más apropiada para el proyecto y los espesores de cada una de las capas que la componen. Para tal efecto se definieron los siguientes objetivos y alcances: 1. Por medio de la ejecución de investigaciones de campo, consistentes en apiques cada 500 m, y ensayos de laboratorio, identificar y caracterizar los materiales que conforman la subrasante en toda la longitud del proyecto.

5

2. Determinar y caracterizar mediante ensayos de laboratorio las propiedades físicas y mecánicas más importantes de los suelos representativos de la subrasante y homogenizar mediante los resultados de CBR, sectores para el diseño de la estructura del pavimento. 3. Determinar las posibles fuentes de materiales cercanas al proyecto, su localización y posible utilización 4. Con base en lo anterior y con los resultados del estudio de tránsito presentar el tipo de pavimento más apropiado para el proyecto y el diseño del mismo que consistirá en la definición del tipo de material que conforma cada una de las capas, su espesor y la especificación del mismo.

2

LOCALIZACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

El proyecto se desarrolla en su totalidad en el Departamento del Valle del Cauca y se inicia en el cruce de la vía Yumbo – Buga con la carretera que conduce a la población de Mulaló, en la Intersección Panorama. En el sector comprendido entre K0 y el portal de entrada del túnel Cresta de Gallo se desarrolla sobre en un terreno ondulado – montañoso, mejorando las condiciones geométricas del carreteable existente, tanto en planta como en perfil. Posteriormente, entre el portal de salida del túnel Cresta de Gallo y Pavas el proyecto se desarrolla sobre un terreno plano – ondulado y finalmente entre Pavas y Loboguerrero, se desarrolla en un terreno montañoso en un trazado completamente nuevo Desde el punto de vista geológico el proyecto se encuentra en su totalidad en formaciones de origen volcánico que dan lugar a suelos residuales de poco espesor entre el K0 y el túnel de Cresta de Gallo, de espesor considerable entre la salida del túnel Cresta de Gallo y el paso por el corregimiento de Pavas y nuevamente con poco espesor entre el paso por Pavas y el final del proyecto. A continuación se presenta el esquema de localización del proyecto:

6

CALIMA BUENAVENT URA Entrada Puerto K117+580

Alto de Zaragoza K88+500

El Pailon K108+730

Puente El Piñal K115+980

Cordoba K98+000 Zacarias

Medicanoa k7+600

Madroñal

YOTOCO

Triana K78+500

BUGA Glorieta del SENA K 0+000

RESTREPO

Cisneros Zabaletas

GUACARI LOBOGUERRERO VIJES DAGUA

LA CUMBRE MULALO

º

Rozo

El Palmar

LA TORRE Obando

YUMBO VÍA NUEVA REHABILITACIÓN SEGUNDA CALZADA MANTENIMIENTO PAVIMENT ACIÓN

Kilometro Diez y Ocho

Aerop.BONILLA ARAGON

PALMIRA

La Dolores

El Saladito

Juanchito

SANTIAGO DE CALI

Cavasa

CANDELARIA

Villagorgona

El Cabuyal

JAMUNDI

Figura No. 1 Localización del proyecto

7

Se estudiaron varias alternativas para el trazado, la alternativa seleccionada se presenta a continuación:

Figura No. 2 Alternativa de trazado seleccionada

8

De acuerdo con el diseño geométrico se presentan 10 túneles a lo largo del tramo vial estudiado, lo que define los siguientes sectores de estudio: Tramo No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Desde

Hasta

Tipo

K0+000 K2+045 K2+710 K2+905 K3+690 K5+370 K5+645 K6+650 K9+880 K16+640 K17+912 K19+280 K19+438 K20+175 K20+486 K20+596 K20+931 K23+730 K29+120


Cielo abierto Túnel 1 Cielo abierto Túnel 2 Cielo abierto Túnel 3 Cielo abierto Túnel 4 Cielo abierto Túnel 5 Cielo abierto Túnel 6 Cielo abierto Túnel 7 Cielo abierto Túnel 8 Cielo abierto Túnel 9 Cielo abierto

Longitud (m) 2045 665 195 785 1680 275 1005 3230 6760 1272 1368 158 737 311 110 335 2799 5390 2701

Cuadro No. 1 Tramos de estudio

Las características de diseño geométrico que definirán la vía serán las siguientes: A continuación se describen las secciones típicas a lo largo de la vía: Sección Típica vía en superficie: La sección típica para la vía en superficie presenta una vía bidireccional, con carriles de 3.65m. y bermas de 1.80 m, tal como se muestra en la siguiente figura:

9

SECCIÓN TÍPICA VÍA EN SUPERFICIE 1,80

3,65

BERMA

CARRIL

CL

3,65

1,80

1,20

CARRIL

BERMA

CUNETA

TRATAMIENTO DE ACUERDO AL DISEÑO DE TALUDES

1.0 2%

1

VARIABLE

2%

1.5

FILTRO

Figura No. 3 Sección Típica Vía en Superficie. Vía bidireccional.

En el tramo inicial, en el cual el trazado se desarrolla por la vía existente al corregimiento de Mulaló (K0+000 – K0+710) presenta una vía bidireccional con carriles de 3.65 m y bermas de 1.80 m, de los cuales 0.50 m son berma-cuneta. Adicionalmente se incorpora en el costado izquierdo una cicloruta de 2.40 m y un andén de 1.60 m. En la siguiente figura se ilustra este caso:

10

SECCIÓN TÍPICA INICIO PROYECTO

1

1.5

0.00%

PETONAL

CICLOVIA

4,00

0.00%

1,80

3,65

BERMA

CARRIL

CL

3,65

1,80

CARRIL

BERMA

2%

2%

TERRENO

Figura No. 4 Sección Típica Tramo Inicial. Se incorpora un andén con cicloruta en el costado izquierdo.

Sección Típica vía en Puente: En los puentes se tiene el mismo concepto que para la vía en superficie, es decir una vía bidireccional con carriles de 3.65m. La siguiente figura ilustra la sección:

11

SECCIÓN TÍPICA EN PUENTE 1,80

3,65

BERMA

CARRIL

CL

3,65

1,80

CARRIL

BERMA

New jersey

New jersey

2%

2%

Figura No. 5 Sección Típica Puentes Vía bidireccional.



Sección Típica vía en Túnel: En los túneles cortos, la sección presenta un (1) carril de ascenso y un (1) carril de descenso, cada uno de 3.65m. y bermas de 0.50 m.

12

0.200

SECCIÓN TÍPICA EN TUNEL CON SOLERA

0.20 0.010

CL

+5,000

5.000

+2,800

1.250

2%

8.300

1.250

+0,478

+0,318 (±0.00)

6%

0.080

0.200 0.010

11.365

0.20 0.010

12.077

0.200

Figura No. 6 Sección Típica Túneles Cortos.

En los túneles largos la sección típica presenta una vía bidireccional con carriles de 3.65 m. y bermas de 0.50 m. Para este túnel se incorpora además un túnel de escape. En la siguiente figura se muestra esta sección:

13

SECCION TIPICA TUNELES LARGOS 0.15

0.18

0.25

Ventilador

(±5.00)

7.07 9.70

(+2.80)

5.00

1.00

11.79

1.19 3.85

3.85

Canal de drenaje

1.00 (+0.23)

P%

0.30

1.21

2.87

(±0.00)

0.35

0.30

Figura No. 7 Sección Típica en Túneles Largos

El tramo del proyecto en la zona de acceso a Mulaló consta de tres calzadas, la interna cuenta con dos carriles, uno para cada sentido de 3.65m de ancho cada uno y berma a cada lado de 1.80m, las dos calzadas externas constan de dos carriles cada una, la calzada izquierda corresponde a la salida de Mulaló y la derecha al acceso. En el costado izquierdo se desarrolla la ciclovía y vía peatonal. A continuación se presenta la sección descrita:

14

SECCIÓN TÍPICA ENTRADA A MULALÓ CL

ZONA VERDE 1,80

AN CH O VARIABLE

3,65

BERMA

CARRIL

ZONA VERDE 3,65

1,80

CARRIL

BERMA

ANC HO VARIABLE

7,00

SALIDA MULALÓ 7,00 2%

0.00%

ACCESO MULALÓ

1.5 1.5

1

PETONAL

CICLOVÍA

1

2%

0.00%

Figura No. 8 Sección Típica en cercanías a la vía de acceso a Mulaló

El paso por inmediaciones del corregimiento de Pavas consta de cuatro calzadas, las dos externas (una por sentido) corresponden a vías de servicio de 7.0m de ancho y dos carriles, las calzadas internas cuentan cada una con dos carriles de 3.65m, bermas externas de 1.80m, bermas internas de 0.50m, finalmente, se cuenta con dos calzadas peatonales y de ciclovía localizadas en los costados externos de las vías de servicio, a continuación se presenta la sección descrita:

SECCIÓN TÍPICA PASO POR PAVAS

TALUD ZONA VERDE

TALUD ZONA VERDE

1.5

0.00%

3,65

CARRIL

0,50

2,00

BERMA INTERNA

BERMA INTERNA

SEPARADOR

C L 3,65

3,65

1,80

CARRIL

CARRIL

BERMA EXTERNA 7,00

VIA DE SERVICIO

0.00%

4,00

0.00%

ANCHO V ARIABLE

A NCHO VARIA BLE

TERRENO

ANDEN

CICLOVIA

VIA DE SERVICIO

0,50

3,65

CARRIL

PETONAL

BARRERA ANTIRUIDO

PETONAL

CICLOVIA 1

ANDEN

7,00

BARRERA ANTIRUIDO

C L 1,80

BERMA EXTERNA 4,00

0.00%

1.5

1

TERRENO

Figura No. 9 Sección Típica en inmediaciones del corregimiento de Pavas

15

El proyecto se localiza en la Cordillera Occidental Andina, entre las poblaciones de Mulaló y Loboguerrero, y tiene una longitud aproximada de 31,8 km. De acuerdo a la geología y topografía del corredor, para efectos de su estudio geológico-geotécnico, este se ha dividido en cinco sectores comprendidos entre dichas poblaciones. La descripción de cada sector de oriente a occidente es la siguiente: Un sector inicial que corre casi paralelo al valle del Río Mulaló por la ladera izquierda, hasta el borde occidental de la serranía denominada Cresta de Gallo. Al inicio del sector y en un corto trayecto, se presenta un bajo porcentaje de rocas sedimentarias calcáreas de la formación Vijes (Tv), que dan lugar a laderas moderadas. La mayoría del sector está conformado por rocas de la Formación Volcánica (Kv), basalto y diabasa, ligeramente meteorizados, con una morfología de pendientes moderadas a altas. A través de la serranía de Cresta de Gallo, que sobresale en la topografía, se propone excavar un túnel de 3230m, de lado a lado. El corredor está cruzado, por fallas normales pertenecientes al sistema de Cali-Patía. Un segundo sector comprende desde las faldas occidentales de la serranía de Cresta de Gallo hasta el corregimiento de Pavas, donde el alineamiento corre paralelo al Río Pavas. El sector está conformado por depósitos fluviolacustres y suelos residuales asociados a la alteración de diabasa y lava basáltica, que dan lugar a una morfología suave, semi-plana y plana. El río Pavas vierte sus aguas hacia al noroeste en la cuenca del Río Bitaco, que allí tiene un rumbo al norte. El corredor está cruzado por las fallas de la Cumbre-Aguas Claras y Pavas-Quebrada Seca. Un tercer sector forma parte de la ladera derecha en cuenca del Río Bitaco, con dirección al norte, conformado por diabasa y lava basáltica, ligeramente meteorizadas, con una morfología de laderas y lomas altas y localmente agrestes, las cuales están parcialmente cubiertas por suelos residuales y algunos coluviones. El corredor se encuentra bajo el campo de deformación tectónica de la falla de Bitaco. Un cuarto sector se desarrolla sobre lomas altas a escarpadas generadas por diabasa y lava basáltica, entre el Río Bitaco y el río Dágua. A lo largo de este sector, por su topografía agreste, se contempla la construcción de un túnel que alcanza los 5.390 metros de longitud, 16

que entra por la ladera izquierda baja del río Bitaco y sale por la ladera derecha del río Dagua. El corredor se inicia cerca de las fallas del río Bitaco y Frutillo, y en el otro extremo, hacia el final, en la cuenca del río Dágua, está cruzado por las fallas del Piñal, que hacen parte del sistema de fallas de Dágua-Calima Y, finalmente, un quinto sector, a lo largo de la ladera oriental del río Dágua, que transcurre por rocas volcánicas básicas (Kv), y, hacia el final del alineamiento, por rocas sedimentarias fracturadas de la Formación Espinal (Ke), donde además ocurren varios depósitos colgados de coluviones y algunos aluviones antiguos, en un sector de lomas bajas. El corredor se encuentra bajo la influencia de las fallas del Piñal y es cortado por una de las fallas del sistema de Dágua-Calima. Estos macizos rocosos han sido afectados por tectónica regional; sus rocas presentan niveles fallados y fracturados y localmente meteorizados, que forman bloques alargados limitados por lineamientos tectónicos regionales de dirección preferencial N a NNE y NNW a W, los cuales pueden incidir sobre la construcción;

estabilidad, desarrollo,

durabilidad y costo de la vía que se propone.

Figura No. 1 Perfil esquemático estructural de la cordillera occidental entre el cañón del Río Dagua y el Valle del Cauca.

En las lomas y topografías altas se presentan rocas duras de origen volcánico. En las laderas de pendiente moderada y suave, se presentan por lo general unidades geológicas de

17

rocas meteorizadas, localmente transformadas en saprolito y parcialmente cubiertas por coluvión, y suelo residual. Se presenta a continuación los planos geológicos del proyecto.

Figura No. 2 Geología del corredor actual

18

Figura No. 3 y Figura No. 4 Geología del corredor actual (Continuación)

19

Figura No. 5 Convenciones planos geológicos

3

INFORMACIÓN EXISTENTE

Para el desarrollo del presente estudio, se tuvo en cuenta la información contenida en: 

INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito”



AASHTO. “Guide for Design of pavement structures”. 1993



HOLTZ, Robert, KOVACS, William. An Intoduction to Geotechnical Engeineering. 1981



4

HUANG, Yang. “Pavement Análisis and Design”, 1993

TRABAJOS DE CAMPO

Con el fin de determinar las características del subsuelo se llevaron a cabo los trabajos de campo y ensayos de laboratorio que se describen a continuación: 4.1 TRABAJOS DE CAMPO Dentro de los trabajos de campo hasta la fecha se han realizado 42 apiques con separación de 500m y profundidad de 1.50m, localizados de la siguiente manera:

APIQUE No.

Abscisa

APIQUE No.

Abscisa

APIQUE No.

Abscisa

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

K0+200 K0+700 K1+200 K1+700 K2+070 K2+970 K3+900 K4+600 K5+150 K6+080 K6+700 K10+350 K10+950 K11+450

15 16 17 18 19 20 21 22' 22 23 24 26 27 28

K11+950 K12+450 K12+950 K13+450 K13+950 K14+450 K14+980 K16+000 K15+500 K16+350 K17+280 K18+510 K18+800 K19+000

29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42

K19+570 K20+020 K20+530 K21+120 K21+640 K22+260 K22+880 K23+480 K29+390 K29+760 K30+100 K30+390 K30+840 K31+340

22

Cuadro No. 2 Localización de los apiques

En cada investigación se elaboró el perfil estratigráfico determinando los espesores de las diferentes capas encontradas y registrando el nivel freático si se llegase a encontrar. Los registros de campo se presentan en el Anexo 1

4.2 ENSAYOS DE LABORATORIO En cada apique y sondeo se recuperaron muestras representativas de las diferentes capas encontradas y sobre dichas muestras se realizaron ensayos de laboratorio que consistieron en: 

Contenido de humedad natural



Análisis granulométrico por tamizado



Límites de consistencia (líquido y plástico).



CBR inalterado en condición de humedad natural



CBR inalterado en condición de saturación

El detalle de los resultados de los ensayos de laboratorio se presenta en el Anexo 2

5

CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS

De los resultados obtenidos tanto en campo como en laboratorio, se presenta a continuación una descripción de las condiciones del subsuelo encontradas a lo largo del proyecto 5.1 PERFIL ESTRATIGRÁFICO Se presenta superficialmente en los dos primeros apiques una capa de relleno compuesto por fragmentos de roca que no aparece en los demás. la subrasante natural está compuesta principalmente en los tramos 2 a 8 y 12 a 20 por una capa granular y en los tramos 1, 9 a 11 y 21 por una capa arcillo limosa y limo arcillosa. La descripción de cada una de las capas encontradas es la siguiente:

23

Capa granular Compuesta principalmente por grava limosa café y amarilla, de humedad baja, se presenta en espesores hasta el final del apique. Sus características son las siguientes: Clasificación predominante: GM Humedad natural: 5 – 23% Porcentaje que pasa tamiz No 200: 6 – 45% Límite Liquido: NL – 63% Índice de plasticidad: NP – 35% Capa limo arcillosa Corresponde a arcilla limosa y limo arcilloso de plasticidad media a alta y humedad media a baja. Las características geotécnicas se pueden resumir de la siguiente manera: Clasificación predominante: CL, ML, MH y CH Humedad natural: 17 – 97% Porcentaje que pasa tamiz No 200: 53 – 100% Límite Liquido: 33 – 94% Índice de plasticidad: 10 – 45% CBR en condiciones de humedad natural: 1.20 – 4.40% CBR en condiciones de saturación: 0.90 – 2.90% El tramo comprendido entre el portal de salida del túnel Cresta de Gallo y el K19+000, la subrasante predominante corresponde a suelos limo arcillosos de humedad media, plasticidad alta y consistencia media. Analizando sus parámetros se observa que en general son suelos con un límite líquido superior al 60% y un índice de plasticidad inferior al 35%, con lo cual se puede considerar que se trata de un material con un potencial expansivo considerable.

24

De acuerdo con lo anterior es necesario para este tramo tener en cuenta las siguientes recomendaciones: 

Las aguas de escorrentía que recoja la vía deberán ser llevadas por cunetas, a las obras de hidráulicas tipo alcantarillas.



Se debe garantizar que los descoles de las alcantarillas deberán llegar hasta los drenajes naturales



En caso de taludes de corte deberá colocarse, debajo de la cuneta un filtro longitudinal que recoja las aguas subsuperficiales y las lleve hasta la alcantarilla más cercana.



No se deben sembrar especies arbustivas cercanas a la vía.

El resumen de las condiciones encontradas en las investigaciones se puede observar en los perfiles estratigráficos y en el cuadro resumen que se presenta a continuación:

25

K0+200 A1 0.00

K0+700 A2 0.00

RL

K1+200 A3 0.00

ML

0.70 CH

1.50

K6+700 A11

K2+070 A5

K2+970 A6

0.00

0.00

1.50

K10+350 A12 0.00 0.30

GM

CH

1.50

SC

K10+950 A13 0.00

CV

1.50

GM

K12+450 A16 0.00

1.50

K12+950 A17 0.00

K4+600 A8 0.00

GM

1.50

1.50

1.50

K13+450 A18 0.00

CV

0.20

CV 0.40

K5+150 A9 0.00

GM

0.20

CV

1.50

K13+950 A19 0.00

K6+080 A10 0.00

GM

K14+450 A20 0.30

0.60

MH

1.50

0.00

MH

MH

ML MH

1.50

K3+900 A7 0.00

GP-GM

CL 1.50

0.00

K1+700 A4 0.00

RC

0.40

MH

1.50

K14+980 A21 0.30

K15+500 A22 0.00

0.00 CV MH

CV

0.30

MH

MH

1.50

1.50

1.50

FRAGMENTOS DE ROCA ARCILLA LIMOSA LIMO ARCILLOSO GRAVA LIMOSA ARENA ARCILLOSA

1.50

1.50

1.50

RL CL/CH ML/MH GM SC

Figura No. 10 Perfil Estratigráfico

26

CV

MH

1.50

K16+000 A22' 0.00 0.25

CV

K16+350 A23 0.00 0.20

K17+280 A24 0.00

CV MH MH

MH

K18+510 A26 0.00

0.30

1.50

K21+640 A33 0.00

MH

1.50

K22+260 A34 0.00

K19+000 A28 0.00

K22+880 A35

1.50

MH

K23+480 A36 0.00

1.50

K29+390 A37 0.00

GC

K29+760 A38

GM

GM

0.80

1.50

1.50

K20+530 A31 0.00

GM

1.50

1.50

K30+100 A39

GC

K21+120 A32 0.00

GC

1.50

K30+390 A40 0.00

GC

K30+840 A41

K31+340 A42 0.00

GM GC

0.50

CL

GM 1.50

1.50

1.50

FRAGMENTOS DE ROCA RL ARCILLA LIMOSA CL/CH LIMO ARCILLOSO ML/MH GRAVA LIMOSA GM ARENA ARCILLOSA SC

Figura No. 11 Perfil Estratigráfico (Continuación)

27

RL

0.80

GC 1.50

1.50

0.00

GC 0.90

GC 1.50

1.50

0.00

0.90

GC 1.50

GM

1.50

0.00

GC GC

K20+020 A30 0.00

MH 1.50

0.00

K19+570 A29 0.00

CV

0.80

MH 1.50

K18+800 A27 0.00

GRANULOMETRIA % PASA TAMIZ

MUESTRA

APIQUE No.

Abscisa

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 16 17

K0+200 K0+700 K1+200 K1+700 K2+070 K2+970 K3+900 K4+600 K5+150 K6+080 K6+700 K10+350 K10+950 K12+450 K12+950

18

K13+450

19 20 21 22 22'

K13+950 K14+450 K14+980 K15+500 K16+000

PROFUN. No. (m) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1

0.50-1.50 0.80-1.10 0.40-0.70 0.80-1.10 0.60-0.90 0.60-0.80 0.50-0.80 0.40-0.80 0.60-0.90 0.50-0.80 0.70-1.00 0.50-0.80 0.60-0.90 0.60-0.90 0.70-1.00 0.20-0.60 0.80-1.10 0.60-0.90 0.70-1.00 0.80-1.10 0.30-1.50 0.30-1.50

No. 4

No. 10

99 93 88 96 91 69 63 28 42 30 64 100

98 91 79 94 82 65 59 23 32 19 57 96 100 100 100

90 85 70 90 69 58 52 18 21 10 50 93 96 95 97

100

98 100 100 100 96 95

100

100 100

98 98

PLASTICIDAD

No. 40 No.200 LL(%) LP(%) 74 69 54 72 48 45 45 13 15 6 41 91 93 89 93 100 96 89 95 96 92 92

54 41 49 69 38 36 47 46 50 33 NL 85 85 88 90 92 94 61 82 88 77 73

27 21 30 32 23 25 31 31 33 27 NP 51 53 50 56 51 49 37 59 60 43 42

Cuadro No. 3 Resumen ensayos de laboratorio

28

IP(%) 27 19 19 38 16 10 15 15 17 6 NP 34 32 38 34 41 45 24 24 28 34 31

CLASIFICACION AASHTO USC GRUPO IG CH CL ML CH SC GM GM GM GM GP-GM GM MH MH MH MH MH MH MH MH MH MH MH

A-7-6 A-7-6 A-7-6 A-7-5 A-6 A-4 A-7-5 A-2-7 A-2-7 A-1-a A-4 A-7-5 A-7-5 A-7-5 A-7-5 A-7-5 A-7-5 A-7-5 A-7-5 A-7-5 A-7-5 A-7-5

21 12 8 29 4 2 4 0 0 0 3 42 42 44 45 57 57 26 36 42 40 37

Wn (%) 24.7 18.7 16.9 20.4 20.6 11.5 17.8 7.9 13.2 6.4 10.3 53.8 62.2 38.2 40.2 74.8 97.1 64.6 53.1 52.7 42.7 40.6

GRANULOMETRIA % PASA TAMIZ

MUESTRA

APIQUE No.

Abscisa

23

K16+350

24

K17+280

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

K18+510 K18+800 K19+000 K19+570 K20+020 K20+530 K21+120 K21+640 K22+260 K22+880 K23+480

37

K29+390

38

K29+760

39

K30+100

40

K30+390

41

K30+840

42

K31+340

No.

PROFUN. (m)

No. 4

No. 10

1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 2 1 2 1 1 2 1

0,30-1,50 0.00-0.80 0.80-1.50 0.30-1.50 0.00-1.50 0.00-1.50 0.50-1.50 0.50-1.50 0.50-1.50 0.50-1.50 0.50-1.50 0.50-1.50 0.50-1.50 0.50-1.50 0.00-0.80 0.80-1.50 0.00-0.80 0.80-1.50 0.00-0.80 0.80-1.50 0.50-1.50 0.00-0.80 0.80-1.50 0.50-1.50

95 100 100 84 100 100 36 37 48 47 41 45 46 40 46 46 52 44 47 47 46 38 34 99

91 98 98 80 97 97 28 29 35 31 30 31 32 29 38 37 40 36 37 37 37 29 25 95

PLASTICIDAD

No. 40 No.200 LL(%) LP(%) 88 95 93 76 94 93 21 22 26 20 22 21 21 20 28 27 30 26 27 27 30 20 17 78

85 94 85 72 89 85 16 17 21 20 16 16 16 15 20 18 20 18 20 20 22 14 12 53

65 70 76 64 59 57 53 53 54 53 63 54 49 53 55 56 56 58 56 55 53 38 38 33

40 44 44 42 37 38 30 30 28 27 28 28 31 31 22 23 25 24 27 25 24 25 24 23

IP(%) 25 26 33 22 22 19 23 23 26 26 35 26 19 22 33 33 32 34 29 30 28 13 14 10

Cuadro No. 4 Resumen ensayos de laboratorio (Continuación)

29

CLASIFICACION AASHTO USC GRUPO IG MH MH MH MH MH MH GM GM GC GC GC GC GM GM GC GC GC GC GC GC GC GM GM CL

A-7-5 A-7-5 A-7-5 A-7-5 A-7-5 A-7-5 A-2-7 A-2-7 A-2-7 A-2-7 A-2-7 A-2-7 A-2-7 A-2-7 A-2-7 A-2-7 A-2-7 A-2-7 A-2-7 A-2-7 A-2-7 A-2-6 A-2-6 A-4

27 34 35 19 25 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3

Wn (%) 35.4 44.6 64.6 33.0 32.8 33.6 23.2 20.8 20.8 19.6 22.3 20.2 16.8 18.8 13.9 16.6 17.2 15.9 14.8 15.3 14.8 6.2 5.4 19.5

CONSORCIO DIS S. A. EDL LTDA. Ingenieros Consultores

5.2 CAPACIDAD DE SOPORTE Con el fin de establecer la capacidad de soporte de la subrasante se empleará el ensayo de CBR inalterado se han efectuado 12 ensayos en condiciones de humedad natural y de saturación. Los resultados obtenidos son los siguientes:

CBR No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

APIQUE No.

Abscisa

1 2 3 4 5 12 13 16 17 18 19 21 22 22' 23 24 26 27 28 42

K0+200 K0+700 K1+200 K1+700 K2+070 K10+350 K10+950 K12+450 K12+950 K13+450 K13+950 K14+980 K15+500 K16+000 K16+350 K17+280 K18+510 K18+800 K19+000 K31+340

CBR INALTERADO Wn (%)

SUM

2.4 2.7 2.3 1.9 2.8 1.7 2.3 2.5 2.4 1.2 2.1 2.4 3.7 3.5 4.4 2.4 3.4 2.4 2.4 2.2

1.8 1.8 1.6 1.4 2.1 1.2 1.5 2.0 2.1 0.9 1.2 1.8 2.9 2.4 2.7 1.9 2.6 1.8 1.8 1.4

Cuadro No. 5 Resultados ensayos de CBR inalterado

Para el ensayo de CBR en condiciones de saturación los valores obtenidos varían entre 0.9% y 2.9%, para el mismo ensayo en condición de humedad natural los resultados varían entre 1.2% y 4.4%, y no se presenta una gran variabilidad entre los datos de cada tramo. Para el diseño se emplearán los valores promedio de cada tramo.

30


A continuación se presentan los valores de CBR de diseño empleados para los diferentes tramos.

Abscisa

Tramo No.

Inicial

Final

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19



Estructura CBR (%) Túnel 1 Túnel 2 Túnel 3 Túnel 4 Túnel 5 Túnel 6 Túnel 7 Túnel 8 Túnel 9 -

2.1 20 10 20 10 20 10 20 2.2 20 2.3 20 10 20 10 20 10 20 1.8

Cuadro No. 6 Valores de CBR de diseño

Para la Intersección Panorama, localizada en el K0+000, se empleará el valor del CBR del sector 1.

6

ESTUDIO DE TRÁNSITO

Para la determinación del tránsito se tuvo en cuenta la información presentada en el Estudio de Tránsito, Capacidad y Niveles de Servicio realizado por el Consorcio para este proyecto.

31


Por tratarse de una nueva vía, para el proyecto en estudio, los volúmenes de Tránsito Futuro (TF), se derivan a partir de Tránsito Atraído (TAt) y del Incremento del Tránsito (IT) esperado al final del período o año meta seleccionado para el diseño. El Tránsito Atraído (TAt) depende de la capacidad y de los volúmenes de las vías existentes. Los usuarios no cambian ni su origen, ni su destino, ni su modo de viaje, pero eligen otra vía motivados por una mejora de tiempo de viaje, distancia, comodidad o seguridad. Por su parte, el Incremento del Tránsito (IT) es el tránsito que se espera use la nueva vía en un año futuro seleccionado como de diseño. Este incremento es debido al Crecimiento Normal del Tránsito (CNT), más el Tránsito Generado. El Crecimiento Normal del Tránsito (CNT) es el incremento normal en el uso de los vehículos, y el Tránsito Generado (TG) esta conformado por aquellos viajes que se realizarán una vez se construya este nuevo proyecto vial. Los valores para las variables se definen así: El Tránsito Atraído (TAt) se estima a partir de los resultados obtenidos en la encuesta de origen- destino realizada. El Crecimiento Normal del Tránsito (CNT) se define a partir de las series históricas de crecimiento de flujo vehicular para la región captadas a través de los aforos anuales que adelanta el INVIAS. Complementariamente, se incorpora en este análisis también el crecimiento de la población, del Producto Interno Bruto y de las expectativas de crecimiento de la actividad portuaria de Buenaventura, como se verá posteriormente. El Tránsito Generado (TG), se establece como un porcentaje de los flujos existentes y atraídos. A partir de estas variables de crecimiento, se define una tasa de crecimiento del 4,72% para el escenario optimista y del 1,41% para el escenario pesimista y se establece para este proyecto una tasa de crecimiento del tránsito a utilizar del 3,00%. La composición del tránsito encontrada fue la siguiente:

32


Composición vehicular 48.94% Autos 7.42% Buses 0.97% Buses 6.45% Buseta 43.64% Camiones 5.34% C2P 4.72% C2G 1.40% C3 5.36% C4 8.76% C5 18.06% >C5 Tipo

Número de vehículos 9,490,209 1,439,085 188,291 1,250,793 8,462,620 1,034,676 914,759 271,854 1,040,327 1,698,928 3,502,077

Cuadro No. 7 Composición vehicular

Con estos valores y empleando los factores de daño recomendados en el Manual del INVIAS se calculó el número de ejes equivalentes. En el siguiente cuadro se presentan los factores de daño empleados: Vehículos comerciales

Factor de daño

Bus Buseta C2-G C2-P C3 C4 C5 >C5

1.00 0,50 3,44 1,14 3,76 6,73 4,40 4,72

Cuadro No. 8 Factores de daño

Para un periodo de diseño de 10 años el número de ejes equivalentes será: N = 7.79 * 106 Para el diseño en pavimento rígido, se empleará la metodología de la PCA. Por este motivo, se tendrá en cuenta la carga por eje de cada vehículo comercial de acuerdo con el siguiente cuadro: 33


Con base en lo anterior, el número de repeticiones será el siguiente: Tipo de eje

Carga por eje

Simple

Tándem Trídem

(KN) 40 60 80 90 230 200 285

Repeticiones 1142735 3287955 1757044 457380 3449967 656091 875519

Cuadro No. 9 Numero de repeticiones de carga por eje

7

FUENTES DE MATERIALES

Al inicio del proyecto en un corto trayecto, se presenta un bajo porcentaje de rocas sedimentarias calcáreas de la formación Vijes (Tv). Posteriormente el ambiente geológico está conformado por rocas de la Formación Volcánica (Kv), basalto y diabasa, ligeramente meteorizados, con una morfología de pendientes moderadas a altas hasta el túnel de Cresta de Gallo. Desde esta zona hasta la Población de Pavas, donde el alineamiento corre paralelo al Río Pavas. El sector está conformado por depósitos fluviolacustres y suelos residuales asociados a la alteración de diabasa y lava basáltica, que dan lugar a una morfología suave, semi-plana y plana. Posteriormente se presenta nuevamente una geología de diabasa y lava basáltica, ligeramente meteorizadas, con una morfología de laderas y lomas altas y localmente agrestes, las cuales están parcialmente cubiertas por suelos residuales y algunos coluviones. En general esta condición se mantiene hasta el final del proyecto. De acuerdo con lo anterior, alrededor del 65% del proyecto se desarrolla sobre rocas ígneas tipo diabasa y basalto que se caracterizan por ser unos materiales de excelente calidad, con alta resistencia al desgaste, al impacto y al pulimiento, poseen baja absorción y una excelente adherencia con los materiales bituminosos.

34


7.1

Canteras existentes o que han sido explotadas

Con relativa cercanía al proyecto de han identificado varias canteras que han sido utilizadas en la pavimentación de muchas carreteras en el Valle del Cauca entre las cuales se destacan: Canteras de Cachibí, Cantera Dapa, Triturados Cucalón y Cantera Pubenza. Las características de estas canteras, son las siguientes:

35


Información tomada de: INESCO LTDA, “Estudio de suelos para el diseño de pavimentos y fuentes de materiales, Carretera Yumbo – Loboguerrero, Sector San Marcos – Pavas” – Departamento del Valle, Plan Vial, Enero de 1982

Cuadro No. 10 Canteras que han sido explotadas, cercanas al proyecto

36


Estos materiales presentan características similares a los que se van a tener a lo largo del proyecto, con excepción del alto de Pavas entre el portal de salida del túnel Cresta Gallo y el inicio del descenso al río Bitaco, tramo en el cual la formación rocosa sigue siendo roca basáltica pero el espesor de suelo residual y saprolito es considerable. 7.2 Posibles Canteras para el proyecto De acuerdo con lo descrito anteriormente y teniendo en cuenta que la formación rocosa del la zona (Roca Diabásica), se encuentra superficialmente alterada y con la profundidad mejora sus propiedades geomecánicas, se recomienda utilizar el material proveniente de la excavación de los túneles Loboguerrero y Cresta de Gallo como insumo para la fabricación de mezclas asfálticas, bases granular, subbase granular y concretos hidráulicos. La siguiente imagen muestra la ubicación de los túneles

Túnel Loboguerrero

Túnel de Cresta de Gallo

8

DISEÑO DE PAVIMENTO

La vía en estudio se divide en 21 tramos, de los cuales 10 se desarrollan a través de túneles, se ha establecido que estos últimos se diseñarán con pavimento de tipo rígido y los restantes en pavimento de tipo flexible, esto se resume a continuación:

37


Abscisa

Tramo No.

Inicial

Final

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19



Estructura

Tipo de pavimento

Túnel 1 Túnel 2 Túnel 3 Túnel 4 Túnel 5 Túnel 6 Túnel 7 Túnel 8 Túnel 9 -

Flexible Rígido Flexible Rígido Flexible Rígido Flexible Rígido Flexible Rígido Flexible Rígido Flexible Rígido Flexible Rígido Flexible Rígido Flexible

Cuadro No. 11 Tipo de pavimento para cada tramo

8.1 TRAMOS EN PAVIMENTO FLEXIBLE Se empleará inicialmente para el diseño el manual desarrollado por el Instituto Nacional de Vías, que se basa en la metodología AASHTO teniendo en cuenta las condiciones prevalecientes en Colombia. El método también considera los siguientes parámetros y valores: Error nominal (So): 0.44 Desviación estándar normal (Zr): Correspondiente a una confiabilidad del 90% Índice de servicio inicial (Po): 4.2

38


Índice de servicio final (Pf): 2.0 El diseño de la estructura depende además de los siguientes factores: Periodo de diseño Periodo durante el cual está previsto, con alto grado de confiabilidad, que no se requerirá ningún mantenimiento estructural. Para este caso se empleará un periodo de diseño de 10años. Tránsito Representado por el número de ejes equivalentes de 8.2 toneladas que utilizarán la vía en el carril de diseño durante un período determinado de tiempo. Según lo descrito en el estudio de tránsito, la categoría a la que pertenece el número de ejes equivalentes obtenido es la T5, que corresponde a un tránsito entre 6.0*106 y 10*106. Regiones climáticas En el Volumen VII, Estudio de Hidrológía, Hidráulica y Socavación se llevaron a cabo los análisis a varias estaciones pluvimétricas. Las siguientes son las estaciones analizadas a partir de

datos consistentes de precipitación. Se relacionan

analizados:

39

igualmente los períodos


Estación Lobo Guerrero-Pp Queremal -Pp Providencia-Pp La Cumbre-Pp Agua Clara-Pp

Latitud 03º45´N 03º32´ N 03º38´ N 03º39´ N 03º41´ N

Longitud 76º40´ W 76º42´ W 76º43´ W 76º33´ W 76º40´ W

Periodo 01/72-12/08 01/69/12/08 01/75/12/08 12/75/12/08 12/78/12/08

Cuadro No. 12 Estaciones pluviométricas analizadas

La zona del proyecto se encuentra localizada en la Cuenca del Río Blanco, afluente del Dagua, corriente que desemboca en la bahía de Buenaventura. Esta corriente es la más importante de la zona y nace aproximadamente a 2200 m sobre el nivel del mar. Está sujeta a precipitaciones fuertes que se intensifican considerablemente de oriente a occidente. En la zona de Lobo Guerrero, los inviernos son mucho más fuertes al final del año, y en especial entre octubre y diciembre mientras que, en La Cumbre

está muy bien definido

un

comportamiento bimodal con una mayor incidencia de lluvias entre mayo y junio pudiéndose concluir que la intensidad de lluvias es mayor al occidente del proyecto El patrón de lluvias, similar al de todo el territorio colombiano, sigue entonces un comportamiento bimodal , presentándose las épocas de estiaje principalmente en enero y febrero, aunque existen también registros de precipitación cero en el mes de marzo. La precipitación media mensual llega a 111 mm en la estación Queremal, 103 mm. en la estación la Cumbre, 83 mm en la estación Agua Clara y 70.4 mm en la estación Lobo Guerrero. El corregimiento de Mulaló se ubica en un área correspondiente al piso térmico cálido, con una temperatura media de 28°C. En la zona media del Proyecto, en el Municipio de la Cumbre, a 1581 msnm,

la

temperatura media anual varía entre 19.4º C y 20.1º C y las máximas para efectos de los diseños de pavimentos están en el rango entre 27.1º C y 28.5º C . las mínimas entre 12.7º C y 13.8º C). En la zona sur, en el municipio de Dagua, por ser de menor altitud (880 mts) las temperaturas medias reportadas en Dagua son de 25ºC. En la localidad de Loboguerrero a 702 mt snm y en Dagua , a 828 mt snm las temperaturas medias superan los 25ºC.

40


Con base en lo anterior, la región climática que corresponde al tramo vial es de tipo Cálido seco y cálido semihumedo, R3. Resistencia de diseño de la subrasante La resistencia de la subrasante se agrupa en cinco categorías, de acuerdo con el intervalo de CBR o módulo de resiliencia obtenido. Para valores de CBR menores a 3.0%, el método establece que este tipo de suelos requieren tratamiento especial de estabilización o reemplazo parcial, con el fin de lograr valores mayores de resistencia. En este caso se hará un reemplazo de 20cm con material granular tipo recebo, cuya especificación se incluye más adelante De acuerdo con lo anterior, para efectos de diseño se emplearán las cartas de diseño en las cuales la resistencia de la subrasante pertenece a la categoría S1. Materiales que componen la estructura del pavimento El coeficiente de capa para cada material será: Tipo de material

Código

Coeficiente de capa (ai)

Concreto asfáltico tipo MDC-2 Concreto asfáltico tipo MDC-1 Capa granular tipo base granular Capa granular tipo subbase

MDC MDC BG SBG

0.30 0.30 0.14 0.12

Cuadro No. 13 Coeficientes de capa de diseño con método Invias

Los valores de coeficientes de drenaje dependen de los niveles de precipitación. Para las condiciones del proyecto, los coeficientes de drenaje serán:

41


Tipo de material

Coeficiente de drenaje (mi)

Concreto asfáltico tipo MDC-2 Concreto asfáltico tipo MDC-1 Base estabilizada con cemento Capa granular tipo base granular Capa granular tipo subbase

1.0 1.0 1.0

Cuadro No. 14 Coeficientes de drenaje de diseño con método Invias

El pavimento diseñado contará con una capa asfáltica apoyada sobre base,

subbase

granular y recebo. De acuerdo con los parámetros descritos anteriormente la estructura dada por la carta de diseño para la región R3, la temperatura de 20°C a 30°, precipitación <2000mm/año, categoría de transito T5 y suelo tipo S1 la estructura recomendada es la siguiente: Concreto asfáltico MDC-2: 0.15m Base granular BG-2: 0.30m Subbase granular SBG-1: 0.45m Mejoramiento de la subrasante: 0.20m Puesto que las cartas de diseño del manual se basan en intervalos de valores de los diferentes parámetros, se obtiene como resultado una estructura diseñada para las condiciones más desfavorables de cada intervalo por parámetro, es decir, el diseño dado en las cartas está para la condición más desfavorable de tránsito, región climática y resistencia de la subrasante, esto produce estructuras superiores a las que se necesitarían diseñando directamente con la metodología AASHTO y utilizando los parámetros reales. A continuación se presenta el diseño del pavimento empleando la metodología desarrollada por la AASTHO, que después de muchos años de investigación, ha integrado varios factores o variables entre las cuales se encuentran:

42


8.1.1

Tránsito

Representado por el número de ejes equivalentes de 8.2 toneladas que utilizarán la vía en el carril de diseño durante un período determinado de tiempo. 8.1.2

Confiabilidad

Se refiere al nivel de probabilidad que tiene una estructura de pavimento diseñada para durar a través del período de análisis, tomando en cuenta las posibles variaciones del tráfico previstas así como las del modelo de comportamiento AASHTO, proporcionando un nivel de confiabilidad R que asegure que las secciones del pavimento duren el período para el cual fueron diseñadas. De acuerdo con el tipo de vía, el valor adoptado de confiabilidad es del 90% con el cual el valor de Desviación Normal Zr será de –1.282 8.1.3

Índice de servicio

Es la habilidad específica de una sección de pavimento para servir al tráfico. Para efectos del diseño se utiliza el valor de PSI que se define como: PSI = Po - Pf siendo Po: Índice de serviciabilidad inicial=4.2 Pf: Índice de serviciabilidad final=2.2 8.1.4

Caracterización de los materiales de las capas de pavimento

Las diferentes capas que conforman la estructura del pavimento están caracterizadas por el “Coeficiente de Capa” que corresponde a una medida de la habilidad relativa de una unidad de espesor de un material dado para funcionar como componente estructural del pavimento. El coeficiente de capa para cada material será:

43


Tipo de material

Coeficiente de capa (ai)

Concreto asfáltico Capa granular tipo base granular Capa granular tipo subbase

0.30 0.14 0.12

Cuadro No. 15 Coeficientes de capa de diseño con método AASHTO

8.1.5

Coeficiente de drenaje

Por las condiciones topográficas del terreno y las características de los materiales que se van a utilizar en las capas, se emplearán los siguientes coeficientes de drenaje:

Tipo de material

Coeficiente de drenaje (mi)

Concreto asfáltico Capa granular tipo base granular Capa granular tipo subbase

1.0 1.0

Cuadro No. 16 Coeficientes de drenaje de diseño con método AASHTO

8.1.6

Módulo de la subrasante

De acuerdo con lo descrito anteriormente los valores de CBR y los módulos de la subrasante de diseño serán: ESBR = 1500*CBR (psi), Para cada tramo de diseño será:

44


Abscisa

Tramo No.

Inicial

Final

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

K0+000 K2+710 K3+690 K5+645 K9+880 K17+912 K19+438 K20+486 K20+931 K29+120

K2+045 K2+905 K5+370 K6+650 K16+640 K19+280 K20+175 K20+596 K23+730 K31+821

CBR (%)

ESBR

2.1 10 10 10 2.2 2.3 10 10 10 1.8

3150 15000 15000 15000 3300 3450 15000 15000 15000 2700

Cuadro No. 17 Módulos de la subrasante de diseño

Para la Intersección Panorama, localizada en el K0+000, se empleará el valor del CBR del sector 1. 8.1.7

Número estructural (Sn)

El número estructural requerido para el período de diseño se obtiene con base en la siguiente ecuación:

Log(N) = ZR*So+9.36*log(SNr+1)-0.20+(PSI/(4.2-1.5)/(0.4+1094/(SNr+1)5.19) +2.32*log(ESBR)-8.07 en la cual, N: Número de ejes equivalentes ZR: Desviación normal que depende del nivel de confiabilidad R=-1.282 So: Desviación estándar total=0.45 SN: Número estructural requerido (“) PSI: Po - Pf ESBR = Módulo de resiliencia de la subrasante 45


8.2 RESULTADOS OBTENIDOS Con base en la metodología descrita y con los parámetros de diseño definidos, se obtuvieron los siguientes resultados de diseño: Abscisa

Tramo No 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Espesor (cm) Capa Asfáltica

Inicial

Final

Rodadura

Base

Base Granular

K0+000 K2+710 K3+690 K5+645 K9+880 K17+912 K19+438 K20+486 K20+931 K29+120

K2+045 K2+905 K5+370 K6+650 K16+640 K19+280 K20+175 K20+596 K23+730 K31+821

7 5 5 5 7 7 5 5 5 7

12 10 10 10 12 12 10 10 10 12

34 17 17 17 34 34 17 17 17 36

Subbase Granular 40 20 20 20 39 37 20 20 20 44

Cuadro No. 18 Espesores de tramos en pavimento flexible método AASHTO

Para la Intersección Panorama, localizada en el K0+000, la estructura obtenida corresponde la del tramo No 1.

8.3 VERIFICACIÓN DEL DISEÑO Con el fin de verificar la estructura recomendada se empleará, el método desarrollado por Shell, este un método de tipo racional planteado por Shell en 1978, incluyendo el adendo de 1984, el cual incorpora factores de confiabilidad con relación a las deformaciones por compresión en la subrasante. Este método considera la estructura del pavimento como un sistema multicapa linealmente elástico, bajo la acción de las cargas de tránsito, en el cual los materiales se encuentran caracterizados por su módulo de elasticidad y su relación de poisson ().

46


Los parámetros empleados para el presente diseño fueron los siguientes: Tránsito. Expresado de términos de ejes equivalentes de 8.2 T Temperatura promedio anual del aire (W-MAAT). Empleando la metodología Shell se determinó que la temperatura promedio anual del aire (W-MAAT) es de 28° Asfalto Se podrá emplear un asfalto tipo 60-70, producido por Barranca con un punto de ablandamiento de entre 42°C y 52°C El módulo de la capa asfáltica. Además de la temperatura promedio anual del aire y el tipo de asfalto, el módulo de la carpeta se determinó teniendo los siguientes parámetros: Volumen del bitumen en la mezcla: 11% Volumen del agregado: 84% Nivel de confiabilidad Para la determinación de los espesores se adoptaron los siguientes niveles de confiabilidad: Parámetro Módulo de la capa granular Deformación unitaria admisible en la subrasante

Nivel de confiabilidad 50.0% 85.0%

Cuadro No. 19 Niveles de confiabilidad empleados

Los resultados obtenidos en la verificación del diseño son los siguientes:

Tramo No

Abscisa

Espesor (cm)

47


1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Subbase

Inicial

Final

Capa Asfáltica

Base Granular

Granular

K0+000 K2+710 K3+690 K5+645 K9+880 K17+912 K19+438 K20+486 K20+931 K29+120

K2+045 K2+905 K5+370 K6+650 K16+640 K19+280 K20+175 K20+596 K23+730 K31+821

19 8 8 8 19 19 8 8 8 20

34 17 17 17 34 34 17 17 17 36

40 20 20 20 39 37 20 20 20 44

Cuadro No. 20 Espesores de pavimento obtenidos en la verificación

Con excepción del tramo 19, los valores obtenidos son menores que los conseguidos con la metodología de diseño, por lo cual se recomienda emplear las estructuras establecidas mediante el método AASHTO y para el tramo 19 la estructura obtenida en la verificación, de acuerdo con esto, las estructuras recomendadas son las siguientes: Abscisa

Tramo No 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Espesor (cm) Capa Asfáltica

Inicial

Final

Rodadura

Base

Base Granular

Subbase Granular

K0+000 K2+710 K3+690 K5+645 K9+880 K17+912 K19+438 K20+486 K20+931 K29+120

K2+045 K2+905 K5+370 K6+650 K16+640 K19+280 K20+175 K20+596 K23+730 K31+821

7 5 5 5 7 7 5 5 5 7

12 10 10 10 12 12 10 10 10 13

34 17 17 17 34 34 17 17 17 36

40 20 20 20 39 37 20 20 20 44

Cuadro No. 21 Espesores de pavimento recomendados

48


8.4 TRAMOS EN PAVIMENTO RÍGIDO Se empleará la metodología de diseño presentada por el Instituto Nacional de Vías en el “Manual de Diseño de Pavimentos de Concreto para vías con bajos, medios y altos que se basa tanto en la metodología propuesta por la AASHTO como en la desarrollada por la PCA. Las variables de diseño tenidas en cuenta en el manual son las siguientes: Período de diseño El manual considera un período de diseño de 20 años para todos los análisis estructurales Tránsito Representado por el número de ejes equivalentes de 8.2 toneladas que utilizarán la vía en el carril de diseño durante un período determinado de tiempo. Según lo descrito en el estudio de tránsito, la categoría a la que pertenece el número de ejes equivalentes obtenido es la T3, que corresponde a un tránsito entre 5.0*106 y 9*106, según la metodología para pavimento rígido. Resistencia de diseño de la subrasante El CBR de diseño corresponde a 20%, este valor se encuentra dentro del rango dado por el tipo de suelo S4. Transferencia y confinamiento Se trata de un pavimento donde se emplearán dovelas para garantizar la transferencia de las cargas, se contará con transferencia y confinamiento tipo D y No B. Soporte El soporte de las losas de concreto estará conformado por material de tipo base granular BG que en el manual se define de 15cm de espesor. Concreto El concreto a emplear tendrá módulo de rotura a la flexión de MR=4.5MPa, con el cual se define un módulo de tipo MR4.

49


Para los parámetros establecidos: tránsito T3, resistencia del suelo S4, transferencia y confinamiento D y No B, soporte tipo BG y módulo de rotura MR4, la carta de diseño del manual plantea la siguiente estructura: Concreto hidráulico MR 4.5MPa: 26cm Base granular tipo BG-1: 15cm Al igual que en el caso del pavimento flexible, las cartas de diseño del manual se basan en intervalos de valores de los diferentes parámetros, se obtiene como resultado una estructura diseñada para las condiciones más desfavorables de cada intervalo por parámetro, es decir, el diseño dado en las cartas está para la condición más desfavorable de tránsito y resistencia de la subrasante, esto produce estructuras superiores a las que se necesitarían diseñando directamente con la metodología de la PCA y utilizando los parámetros reales. A continuación se presenta el diseño del pavimento empleando la metodología establecida por la Portland Cement Association – PCA la cual tiene en cuenta las consideraciones analíticas obtenidas por Westergaard, Pickcett y Ray, los trabajos con elementos finitos desarrollados por Tayabi y Colley y los resultados y el funcionamiento observados en pruebas experimentales de la AASHTO y modelos a escala como el ensayo de Arlington. El método tiene en cuenta el grado de transferencia de carga entre losas y el efecto generado por la construcción de bermas ligadas al pavimento, las cuales reducen los esfuerzos de flexión y las deflexiones producidas por las cargas de los vehículos. Se tienen en cuenta dos (2) criterios de diseño: 1. Fatiga, con el cual se garantiza que los esfuerzos del pavimento producidos por la acción repetida de las cargas se encuentren dentro de límites de seguridad y prevenir que se presente la fatiga por agrietamiento. 2. Erosión, para limitar el efecto de deflexión en los bordes de las losas, juntas y esquinas y con ello controlar la erosión del suelo de fundación y de los materiales de las bermas. Este criterio es necesario pues fallas como el bombeo, el desnivel de losas y el deterioro de bermas son independientes de la fatiga.

50


Una vez se ha seleccionado el tipo de pavimento a construir, la subbase sobre la cual se apoyarán las losas, el tipo de transferencia de carga entre losas y la presencia o no de bermas se deben tener en cuenta los siguientes factores, para acometer el diseño definitivo de pavimentos con la metodología de la PCA: Resistencia de la subrasante Para el valor de CBR 20.0% se obtiene un k de la subrasante de 70MPa/m y un Kcombinado de 104MPa/m Resistencia del concreto a la flexión Se realizarán diseños para losa de concreto con resistencia a flexión, medida por ensayos de módulo de rotura a los 28 días de 4.5MPa para las losas y de 1.5MPa para el concreto de subbase. Período de diseño El periodo de diseño será de 20 años. Factor de seguridad de carga El método de diseño exige que las cargas reales esperadas se multipliquen por un factor de seguridad de carga (FSC), en este caso se empleará un FSC=1.2

8.5 RESULTADOS OBTENIDOS En las memorias de cálculo se incluye el detalle de la determinación de los espesores de cada capa La estructura obtenida para los tramos 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 y 20 es la siguiente: Concreto hidráulico MR 4.5MPa: 20cm Concreto MR 1.5MPa: 10cm Subbase granular tipo: 30cm

51


8.6 MODULACIÓN DE LOSAS A continuación se presentan los criterios y especificaciones que se emplearán para la construcción las losas del pavimento de concreto hidráulico. Los elementos que se presentan en la modulación son: Juntas longitudinales Juntas transversales Juntas de expansión Refuerzo de losas 8.6.1

Aspectos Generales

Las losas deben cumplir con los siguientes requisitos generales: Notas

1. El ancho de la placa (a) será la mitad de la calzada C/2. cuando se tengan 2 carriles o 1/3 de la calzada cuando se tengan 3 carriles 2. La relación de esbeltez (L/a) deberá estar entre 1.0 – 1.4 3. Las juntas transversales serán de contracción aserradas con pasajuntas (tipo 1)

52


4. Donde se termine la fundida del día se construirá una junta transversal de construcción (tipo 3). Esta junta deberá coincidir siempre con una junta transversal de contracción. 5. La junta longitudinal será de construcción con pasajuntas (tipo 2) 6. Se emplearán juntas de expansión tipo 4A (con dovelas) cuando se presenten cambios importantes en la dirección de la vía. 7. Para el caso de pozos de inspección o cajas se empleará la junta de expansión tipo 4B 8. La modulación de las losas deberá ajustarse a la presencia de obras hidráulicas como pozos de inspección y cajas de tal manera que la junta transversal coincida con dichas estructuras, manteniendo la relación de esbeltez. 9. La longitud total de las barras pasajuntas será de 35cm, el diámetro de las barras será de 1” (2.54cm) y la separación entre centros será de 30cm. 10. La barra de amarre para la junta longitudinal de construcción será de 90cm de longitud y ½” de diámetro de acero de 420Mpa. Se colocarán 3 por losa

8.6.2

Corte y sellado de junta de contracción transversal con pasajuntas (Tipo 1)

Este elemento se conformará de la siguiente manera:

El detalle de construcción de la junta es:

53


La relación ancho/profundidad del sellador de silicón deberá ser como mínimo 1:1 y como máximo 2:1 La ranura inicial de 3mm para debilitar la sección deberá ser hecha en el momento oportuno para evitar el agrietamiento de la losa, la pérdida de agregados en la junta, o el desportillamiento. El corte adicional para formar el depósito de la junta deberá efectuarse cuando menos 72 horas después del vaciado.

8.6.3

Corte y sellado de junta longitudinal de construcción con pasajuntas (Tipo 2)

La junta se elaborará de la siguiente forma:

D: Espesor de la losa

Detalle de construcción de la junta:

54


La relación ancho/profundidad del sellador de silicón deberá ser como mínimo 1:1 y como máximo 2:1

8.6.4

Corte y sellado de junta transversal de construcción con pasajuntas (Tipo 3)

La estructura se conformará de la siguiente manera:

D: Espesor de la losa

La relación ancho/profundidad del sellador de silicón deberá ser como mínimo 1:1 y como máximo 2:1

8.6.5

Corte y sellado de junta transversal de construcción con pasajuntas (Tipo 3)

Las canastas se armarán de la siguiente forma:

55


Vista en planta

Cortes

8.6.6

Junta de Expansión (Tipo 4)

Juntas de expansión con dovelas (Tipo 4A)

Junta de expansión sin dovelas (Tipo 4B)

56


Detalle de la junta:

Cuando se tenga la losa conformada, se procederá a retirar el icopor de la parte superior y se construirá la estructura de sello.

8.6.7

Modulación en Intersecciones y Losas Reforzadas

Las losas requieren de refuerzo si cuentan con las siguientes características:

57


-

Longitud de la losa (mayor dimensión en planta) es superior a 24 veces el espesor de la misma.

-

Losas con relación largo/ancho mayor que 1.4

-

Losas de forma irregular (no rectangular)

-

Losas con aberturas en su interior para acomodar elementos como pozos de alcantarillado o sumideros.

-

Losas en las cuales no coinciden las juntas con las losas adyacentes.

8.7 DISEÑO DE ANDENES Y CICLO-RUTA

Para la construcción de los andenes, se recomienda emplear la siguiente estructura: Adoquín: 6cm Arena: 4cm Subbase granular: 25cm Dependiendo del diseño arquitectónico, el adoquín se podrá cambiar por loseta, caso en el cual se cambia la arena por 4cm de mortero.

Para la ciclo-ruta la estructura recomendada es la siguiente: Rodadura asfáltica: 5cm Base granular: 20cm Subbase granular: 20cm

58


8.8 ESPECIFICACIONES Se debe tener en cuenta que de acuerdo con la clasificación dada por las Especificaciones Generales para la Construcción de Carreteras del INVIAS, este proyecto presenta un nivel de tránsito 3 (NT3). 8.8.1

Concreto asfáltico

La capa de rodadura será una mezcla asfáltica densa y deberá cumplir con todos los requerimientos establecidos en la Sección 450-07 de las Especificaciones Generales para Construcción de Carreteras del Instituto Nacional de Vías. 8.8.2

Concreto hidráulico

Las capas de concreto deberán cumplir con todos los requerimientos establecidos en la Sección 500-07 de las Especificaciones Generales para Construcción de Carreteras del Instituto Nacional de Vías. 8.8.3

Base Granular

La capa de subbase granular deberá cumplir con todos los requerimientos establecidos en la Sección 330-07 de las Especificaciones Generales para Construcción de Carreteras del Instituto Nacional de Vías, para la estructura del pavimento de tráfico vehicular deberá cumplir con los requisitos dados en la tabla 300.1 para nivel de tránsito NT3 y para la cicloruta deberá cumplir con los requisitos para nivel de tránsito NT1. 8.8.4

Subbase Granular

La capa de subbase granular deberá cumplir con todos los requerimientos establecidos en la Sección 320-07 de las Especificaciones Generales para Construcción de Carreteras del Instituto Nacional de Vías, para la estructura del pavimento de tráfico vehicular deberá cumplir con los requisitos dados en la tabla 300.1 para nivel de tránsito NT3 y para la cicloruta deberá cumplir con los requisitos para nivel de tránsito NT1. 9

SECCIONES TRANSVERSALES TÍPICAS

En el Anexo 4, se incluyen los planos con las secciones transversales típicas

59


10

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

De los análisis llevados a cabo anteriormente se derivan las siguientes conclusiones y recomendaciones: 

La vía proyectada cuenta con una subrasante compuesta por limo arcilloso y arcilla entre el K0+000 y el K2+070, K9+840 y el K16+685 y el K28+880 y el K31+300. En los restante tramos la subrasante es de tipo grava limo arcillosa.



Es muy posible que en algunas áreas la subrasante sea roca, caso en el cual se deberá profundizar quince centímetros por debajo de las cotas de subrasante. Las áreas sobre-excavadas se deben rellenar y conformar con material seleccionado proveniente de las excavaciones o con material de subbase granular.



De acuerdo con las características de la subrasante y el tráfico esperado en el periodo de diseño, la estructura del pavimento recomendada es la siguiente:

60


Tramo No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Abscisa Inicial

Final



Espesores Pavimento Flexible (cm) Espesores Pavimento Rígido (cm) Capa asfáltica Losa Concreto Subbase Concreto Base Subbase Subbase Hidráulico Pobre Base Granular Granular Granular Rodadura MR 4.5 MPa MR 1.5MPa asfáltica 7 12 34 40 20 10 30 5 10 17 20 20 10 30 5 10 17 20 20 10 30 5 10 17 20 20 10 30 7 12 34 39 20 10 30 7 12 34 37 20 10 30 5 10 17 20 20 10 30 5 10 17 20 20 10 30 5 10 17 20 20 10 30 7 13 36 44 -

Cuadro No. 22 Resumen de estructuras de pavimento recomendadas

61




Para la construcción de los andenes, se recomienda emplear la siguiente estructura: Adoquín: 6cm Arena: 4cm Subbase granular: 25cm Dependiendo del diseño arquitectónico, el adoquín se podrá cambiar por loseta, caso en el cual se cambia la arena por 4cm de mortero.



Para la ciclo-ruta la estructura recomendada es la siguiente: Rodadura asfáltica: 5cm Base granular: 20cm Subbase granular: 20cm



Todos los materiales deberán cumplir con las Especificaciones Generales para Construcción de Carreteras del Instituto Nacional de Vías.



En el Anexo 5, se presentan los planos con la modulación de las losas de los túneles

62


ANEXO 1 REGISTROS DE LOS APIQUES


ANEXO 2 DETALLE DE ENSAYOS DE LABORATORIO


ANEXO 3 MEMORIAS DE CÁLCULO


ANEXO 4 SECCIONES TRANSVERSALES TÍPICAS (VER CARTILLA DE PLANOS)


ANEXO 5 PLANOS CON MODULACIÓN DE LOSAS (VER CARTILLA DE PLANOS)

Volumen Vi. Estudio Geotecnico Para El Diseño Del Pavimento - Final Dic

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