Unidad y valor de diseño de la fundación del pavimento.

Criterios de sectorización, muestreo y ensayo.

Introducción (Yoder & Witczak, 1975).

• Existe una dispersión natural en las características y el comportamiento de los depósitos de suelo sobre los cuales se construyen los pavimentos.

• La variabilidad de los resultados de los ensayos de caracterización física, química o mecánica de un depósito de suelo depende de: – Las características propias del depósito. – Los errores en la ejecución del ensayo. – El tamaño de la muestra. – La propiedad que se mide (en menor medida).

• Los resultados de los ensayos de clasificación del suelo (SUCS ó AASHTO) deben evaluarse con cuidado pues: – Los procesos de formación del suelo no actúan exactamente igual en

toda la masa del mismo. – Los minerales del material parental del suelo se transforman

independientemente durante la formación del depósito.

Unidad de diseño.

• Suelen definirse antes de la exploración y el muestreo o, eventualmente, de forma simultánea con ellos.

• La delimitación de las unidades de diseño se basa en: – Geología. – Pedología. – Topografía. – Condiciones naturales del drenaje.

• Se requiere la identificación clara de: – Suelos residuales. – Suelos transportados.

• Las fotografías aéreas del corredor de la vía son de gran utilidad.

• Pueden proponerse otras consideraciones no asociadas con los depósitos de suelo como: – Las características del tránsito.

• Cambios en los volúmenes de tránsito. • Cambios en la agresividad del tránsito.

– Variación del clima. – Jurisdicción administrativa.

• Origen de los recursos. • Categoría de la vía.

Ejemplo de la delimitación de unidades a partir del tránsito, el perfil general y los suelos.

Requerimientos de muestreo y selección del valor de diseño.

FACTOR PRIMARIO

VARIABLES

TRÁFICO

VARIACIÓN NATURAL DEL

SUELO

VARIACIÓN CLIMA

VARIACIÓN CONSTRUCCIÓN

PROCESO DE DECISIÓN

SELECCIÓN DEL VALOR DE DISEÑO

ANÁLISIS DE COSTOS

SELECCIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL

PAVIMENTO

EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO

COSTOS MANTENIMIENTO

Revisión contra hipótesis originales

DISEÑO PROCESO DE REVISIÓN

• El objetivo del programa de muestreo es permitir predecir, dentro de límites razonables, qué estructura de pavimento se debe construir en el suelo en las condiciones de tránsito y clima predominantes.

• Las unidades de diseño sólo se definen con precisión al terminar los ensayos de laboratorio y campo.

• Selección del valor de diseño: – La variabilidad en el comportamiento del suelo debe considerar la

incertidumbre de las técnicas de construcción y de la condición final de humedad.

– Si se diseña con el promedio de los valores, la mitad de la unidad está subdiseñada y la otra sobrediseñada.

– Si se diseña con el valor mínimo, toda la unidad de diseño está sobrediseñada.

– Un análisis de costos puede demostrar que el valor de diseño depende de la variabilidad del depósito y las condiciones del tránsito.

– Para un coeficiente de variación del 30%, se puede definir como valor de diseño aquel superado por el 80% a 90% de los datos.

Ensayos de caracterización para definir el valor de diseño.

• Parámetros de resistencia: – California Bearing Ratio. – Penetrómetro Dinámico de Cono.

• Parámetros de deformación: – Ensayo de placa. – Módulo resiliente de suelos de gradación fina en laboratorio. – Deflectómetros:

• Viga Benkelman. • Light Weight Deflectometer. • Geogauge.

California Bearing Ratio. ASTM D1883 - 07e2 Standard Test Method for CBR (California Bearing Ratio) of Laboratory-

Compacted Soils ASTM D4429 - 09a Standard Test Method for CBR (California Bearing Ratio) of Soils in Place

• Medida indirecta de la resistencia al corte por penetración, en condición no drenada, de suelos de subrasante y bases granulares.

• Desarrollado por O. J. Porter en California (USA). • Fases del ensayo:

– Inmersión (condición crítica de humedad). – Penetración. – Se emplean sobrecargas para representar el pavimento.

Carga aplicada

Pistón estándar

Transductor para medir la penetración

Pesas anulares

Muestra

Molde estandarizado

Muestra contenida en un molde con

sobrecargas encima

Pistón de penetración

Load

(lb)

Penetrómetro Dinámico de Cono. ASTM D6951 / D6951M - 09 Standard Test Method for Use of the Dynamic Cone Penetrometer in Shallow Pavement Applications

http://profemery.info/pavement/dcp_chart_completed.jpg

http://www.kesslerdcp.com/images/MR100_355px.jpg

Ensayo de placa. ASTM D1196 / D1196M - 12 Standard Test Method for Nonrepetitive Static Plate Load Tests of Soils and Flexible Pavement Components, for Use in Evaluation and Design of Airport and

Highway Pavements

http://www.controlsgroup.net/immagini/product_zoom/35_t1162xx.jpg

Cliente: Universidad Nacional Obra : Puente río Chinchiná - La Manuela vía Chinchiná Medellín Ubicación K0+295 Eje Material: Matriz limo areno gravosa café amarillosa con rastro de oxidación Procedencia: Perforación 3 Fecha: Marzo 01/2010

Lectura ESFUERZO DEF. # 1 DEF. # 2 DEF. # 3 DEFLEXION anillo lb/pl2 0.001 pl 0.001 pl 0.001 pl 1 2 3 (0,001 pl)

(0,001 pl) (0,001 pl) (0,001 pl)80 0.0 361 337 326 0 0 0 0

150 1.0 357 330 321 4 7 5 5

200 1.7 342 327 317 19 10 9 13

250 2.4 332 314 312 29 23 14 22

300 3.2 322 308 308 39 29 18 29

350 3.9 317 305 300 44 32 26 34

400 4.6 310 298 289 51 39 37 42

450 5.3 292 290 275 69 47 51 56

500 6.0 282 286 269 79 51 57 62

550 6.8 278 273 259 83 64 67 71

600 7.5 272 267 253 89 70 73 77

650 8.2 264 259 247 97 78 79 85

700 8.9 258 250 242 103 87 84 91

750 9.6 253 244 239 108 93 87 96

800 10.4 251 241 232 110 96 94 100

850 11.1 243 238 230 118 99 96 104

900 11.8 240 235 228 121 102 98 107

80 0.0 255 243 241 106 94 85 95

DEFLEXION (0,001 pl)

MODULO DE REACCION Ku (lb/pl2)/pl

MODULO DE REACCION CORREGIDO DEFLEX. PLACA Ku (lb/pl2)/pl

MODULO DE REACCION CORREGIDO DEFLEX. PLACA Ku (MPa)/m

Observaciones: Ensayo realizado en sitios indicados por ustedes

27

ENSAYO DE PLACA CON CARGA ESTATICA NO REPETITIVAINV E- 168

LECTURA DEFLEXION

98

102

101

0.0

5.0

10.0

15.0

0 20 40 60 80 100 120

Car

gas

Lb/p

ulg

Deflexión Promedio -0,001"

Diámetro de la placa de carga (cm)

Mód

ulo

de s

ubra

sant

e K

en p

orce

ntaj

e de

l va l

orco

rresp

ondi

ente

a la

pla

ca d

e 75

cm

de

diám

etro

800

700

600

500

400

300

200

100

0 0 25 50 75 100 125 150 175 200

U.S. Public Roads AdministrationOmaha testing LaboratoryU.S. Corps of EngineersTheoretical curveExperimental curveCurva empírica para arenas(Terzaghi)

Módulo resiliente. AASHTO T307-99(2007) - Determining the Resilient Modulus of Soils

and Aggregate Materials

http://www.mrr.dot.state.mn.us/research/mr/CurrentProtocol_061122_files/image018.jpg

Configuración de la muestra.

http://pavementinteractive.org/index.php?title=Triaxial_Test

Ensayo de la muestra.

http://pavementinteractive.org/index.php?title=Triaxial_Test

http://www.fhwa.dot.gov/engineering/geotech/pubs/05037/05b.cfm

Comportamiento no lineal.

http://www.fhwa.dot.gov/publications/research/infrastructure/pavements/ltpp/reports/02051/index.cfm

Deflectómetros. Viga Benkelman. ASTM D4695-03(2008) Standard Guide for General Pavement

Deflection Measurements

http://training.ce.washington.edu/wsdot/modules/09_pavement_evaluation/Images/main_pictures/benkelman_beam3.jpg

http://markogergely.hu/upload/abba/benkelman_old.jpg

Light Weight Deflectometer.

http://sites.grontmij.dk/Pavement-consultants-com/About-us/Gallery/Documents/PRIMA%20100%20light%20weight%20deflectometer.jpg

http://www.mto.gov.on.ca/english/transtek/roadtalk/rt16-3/

Geogauge.

http://www.geneq.com/catalog/en/gg.html

http://www.humboldtmfg.com/c-1-p-6-id-1.html

Principio de análisis común de los deflectómetros.

• Desplazamiento vertical de un semi espacio continuo, homogéneo, isótropo y elástico lineal.

• Donde: – Uz: Desplazamiento vertical. – p: Presión uniforme aplicada en

la superficie. – a: Radio del área circular en la

cual se aplica la presión, p. – E: Módulo de Young del material. – ν: Relación de Poisson del

material.

a

p

r

z

Uz

Suelos derivados de cenizas volcánicas.

• Materiales de muy baja capacidad portante.– Pérdida de maquinaria.– Retraso en las obras.– Incremento en los costos.

• Problemas en su caracterización en laboratorio.– Formación especial afectada por su génesis y el ambiente de

depositación.– No conformidades en la humedad y peso unitario en obra.– Susceptibilidad al cambio de propiedades por secado previo y

remoldeo.

Parámetros de identificación de susceptibilidad al secado previo.

• Índice de agregación: Tateishi. I.A. > 2.0 indicaque el suelo es susceptible a cambiar suspropiedades de manera irreversible con elsecado previo.

– E.A.d. : Equivalente de arena sobre una muestra con secado previo al ensayo.

– E.A. n. : Equivalente de arena sobre unamuestra sin secado previo al ensayo.

nAEAEAI d

......

• Índice de liquidez: Terzaghi. Determina el comportamiento de un suelo al remoldeo. – ωn: Humedad natural (%). – LP.: Límite plástico con secado previo (%). – LL: Límite líquido con secado previo (%).

• Interpretación: – IL < 0. Comportamiento frágil. – 0 < IL < 1. Comportamiento plástico. – IL > 1. Líquido muy viscoso.

• Humedad natural: Un suelo “no puede” tener una

humedad natural mayor que el límite líquido y encontrarse estable en depósitos de campo.

)()(

LPLLLPwIL n

ÍNDICE DE LIQUIDEZ (IL) E ÍNDICE DE AGREGACIÓN (I.A.) DE SUELOS SENSIBLES

Procedencia de la muestra

Humedad natural

n (%)

Límite líquido

LL (%)

Límite plástico

LP (%)

E.A.d (%)

E.A. n. (%)

Índice de agregación

(I.A.)

Índice de

liquidez (I.L.)

Montenegro – Quimbaya. K16+600. 67 58

(71) 47

(56) 20 9 2.2 1.8

Pereira – Cerritos. K1+700. – 59.0

(113) 53

(85) 37 7 5.3 –

Pereira – Marsella. K10+040. 95 57

(155) 46

(113) 29 5 5.8 1.2

Aranzazu – Salamina. K52+200. 46 43

(71) 38

(49) 20 5 4.0 1.6

K54+600. 95 41 (112)

35 (72) 18 5 3.6 10.0

K55+400. 91 47 (123)

40 (97) 29 7 4.1 7.3

Pereira – Dosquebradas. K0+238. 76 64

(111) 56

(76) 35 4 8.8 2.6

K0+285. 87 70 (97)

58 (73) 15 5 3.0 2.4

Popayán – Cali. (Piendamo). 115 73

(131) NP.

(114) 53 10 5.3 1.6

Manzanares – Marquetalia. (Planes) 219 164

(211) 127

(146) 10 10 1.0 2.5

Nota: Los valores entre paréntesis () corresponden a los resultados de los ensayos sin secado previo de las muestras.

CARACTERÍSTICAS DE SUELOS DERIVADOS DE CENIZA VOLCÁNICA

ProcedenciaMuestra

Humedadnatural

n(%)

Pesounitario

secod

(g/cm3)

GravedadEspecifica

Gs

Porosidadn

(%)

Grado deSaturación

Sr(%)

CBR(%)

Pereira – Marsella.K0+400 132.8 0.548 2.470 77.8 93.7 9.3

K4+985 96.4 0.721 2.450 70.6 98.4 7.8K5+189 96.2 0.671 2.370 71.7 90.1 6.7K6+511 79.0 0.782 2.550 69.3 89.1 7.0

K10+040 (1) 95.0 0.697 2.440 71.4 92.8 8.0K10+994 109.0 0.622 2.440 74.5 90.8 6.2

Chinchiná – Pereira.K0+228 63.0 0.862 2.520 65.8 82.7 9.5

K1+100 56.0 0.993 2.560 61.2 90.6 10.4K4+286 71.0 0.857 2.490 65.6 92.9 6.3

Pereira – ArmeniaK2+850 71.0 0.863 2.540 66.0 93.4 7.4

K3+130 90.0 0.706 2.450 71.2 89.4 3.6K8+400 134.0 0537 2.560 79.0 90.9 6.4

Pereira – Cerritos. K3+600 61.0 0.910 2.590 64.9 85.7 5.3

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

30 40 50 60 70 80 90 100 110

Humedad - - (%)

Den

sida

d (g

r/cm

3 ) Con secado previo

Sin secado previo

Figura 2.5. Compactograma Pereira – Marsella. K10+040.

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

30 40 50 60 70 80 90 100 110

Humedad - - (%)

Dens

idad

(g

r/cm

3 ) Con secado previo

Sin secado previo

Figura 2.6. Compactograma Pereira – Cerritos. K1+700.

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

30 40 50 60 70 80 90 100 110

Humedad - - (%)

Dens

idad

(g

r/cm

3 )

Con secado previo

Sin secado previo

Figura 2.7. Compactograma Montenegro – Quimbaya. K16+600.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

CBR (%)

Frec

uenc

ia re

lativ

a ac

umul

ada

Figura 2.8. Distribución de valores de CBR para andosoles.