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ANÁLISIS MECANICISTA PARA EVALUAR EL PAVIMENTO DE LA TROCHA

12 - VÍA DE ACCESO AL POZO TROGON,

MUNICIPIO DE GUAMAL – META

CAROLINA IZQUIERDO VELÁSQUEZ

Ingeniera Civil

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

INGENIERÍA DE PAVIMENTOS

BOGOTÁ D.C.

NOVIEMBRE DE 2019

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ANÁLISIS MECANICISTA PARA EVALUAR EL PAVIMENTO DE LA TROCHA

12 - VÍA DE ACCESO AL POZO TROGON,

MUNICIPIO DE GUAMAL – META

CAROLINA IZQUIERDO VELÁSQUEZ

Ingeniera Civil

Trabajo de grado para optar al título de

Especialista en Ingeniería de Pavimentos

Director de Tesis

Ing. Laura Espinosa

MSc. EN INGENIERIA CIVIL

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

INGENIERÍA DE PAVIMENTOS

BOGOTÁ D.C.

NOVIEMBRE DE 2019

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Nota de aceptación

Director de Investigación

Asesor Metodológico

Jurado

Bogotá D.C., 16 de Noviembre de 2019

5

A Dios porque me permite vivir, amar y gozar mis momentos de felicidad y frustración; porque la vida de

rectitud y honestidad la llevo en oración hacia tú honra señor.

A mi Amore, gracias, porque tú confianza en mí ha permitido que no me deje derrumbar, y por el contrario

obtengo la fuerza para no desfallecer y siempre salir adelante.

A Juliancho, porque me animó a cerrar esta etapa tan valiosa en mi vida profesional, y porque siempre está

para escucharme, y darme un consejo.

Al Ing. Mauricio Moreno, por su incondicional apoyo, su liderazgo, su optimismo.

Esa nobleza que lo caracteriza, me enseñan que, la humildad lo es todo.

A mi madre, que siempre me ha animado a superarme, y porque es el ejemplo más dignificante de valentía,

lealtad y honorabilidad.

A mis hermanos, a mi suegra, y a todos mis familiares y amigos que me animaron a continuar y a seguir

adelante, porque me hacen una mejor persona.

A mis gaturros, que me acompañaron en estas noches de estudios y eran mi mejor pausa activa con sus

felinos maullidos de amor.

6

Agradecimientos

A la planta de personal de la Universidad Católica de Colombia, que me han facilitado regresar,

retomar y ser exitosa en este camino.

Al Ing. Juan Carlos Ruge, Ing. Juan Gabriel Bastidas, Ing. Laura Espinosa que me han orientado en

esta segunda etapa de estudios; un especial y afectuoso aprecio a la Ing. Viviana Quintero que me marcó mi

siguiente paso en mis próximas metas educativas y profesionales.

Al Ing. Mauricio Moreno, quién me permitió emplear la información técnica para desarrollar este

estudio de manera académica.

7

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN ....................................................................................................................................................... 13

1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 14

2. GENERALIDADES DEL ESTUDIO ..................................................................................................... 15

2.1. Planteamiento del problema ....................................................................................................... 15

2.2. Antecedentes del problema en estudio........................................................................................ 15

2.3. Justificación del problema .......................................................................................................... 15

2.4. Objetivos..................................................................................................................................... 16

2.4.1 Objetivo general ..................................................................................................................... 16

2.4.2 Objetivos específicos.............................................................................................................. 16

3. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................................ 17

2.1 Generalidades de la Rehabilitación de Pavimentos .................................................................... 17

3.2. Fallas en los pavimentos flexibles .............................................................................................. 18

3.3. Factores que afectan los pavimentos flexibles ............................................................................ 19

3.4. Evaluación del pavimento para el diseño del refuerzo ............................................................... 20

3.5. Parámetros fundamentales de un modelo estructural .................................................................. 21

3.6. Métodos Mecanicistas ................................................................................................................ 22

3.1.1. Tránsito .................................................................................................................................. 23

3.1.2. Factores climáticos ................................................................................................................. 23

3.1.3. Modelos de deterioro .............................................................................................................. 24

3.1.4. Caracterización de materiales ................................................................................................. 25

3.7. Diseño de la rehabilitación ......................................................................................................... 26

3.8. Análisis de las capas asfálticas y los refuerzos ........................................................................... 26

3.9. Alternativa de diseño CR- ME ................................................................................................... 26

3.9.1. Características del programa CR-ME ..................................................................................... 27

3.9.2. Interfaz Principal del CR-ME................................................................................................. 28

3.9.3. Datos de entrada ..................................................................................................................... 29

3.9.4. Resultados arrojados por del software: Módulos ................................................................... 40

3.10. Marco Legal o Normativo .......................................................................................................... 41

4. ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................................. 43

5. METODOLOGÍA DEL TRABAJO ........................................................................................................ 45

5.1. Herramientas utilizadas .............................................................................................................. 45

6. PAVIMENTO VÍA DE ACCESO AL POZO TROGON – TROCHA 12 .............................................. 47

6.1. Localización general ................................................................................................................... 47

6.2. Condiciones ambientales ............................................................................................................ 47

6.3. Estudios de Geotecnia ................................................................................................................ 48

6.4. Aspectos preliminares del proyecto ............................................................................................ 48

6.5. Documentación de la Interfaz Principal del CR-ME .................................................................. 48

7. ESTIMACIÓN Y CÁLCULOS DEL TRÁNSITO PARA EL PERÍODO DE DISEÑO ........................ 50

7.1. Componentes del tránsito ........................................................................................................... 50

7.2. Procesamiento de la información ................................................................................................ 51

7.3. Tránsito y vehículos para el proyecto ......................................................................................... 51

7.4. Tránsito promedio diario (TDP) ................................................................................................. 54

7.5. Factor de equivalencia de carga por Eje (FECE) ........................................................................ 56

7.6. Factor de distribución direccional y por carril ............................................................................ 57

7.7. Cálculo de ejes equivalentes en el periodo de diseño ................................................................. 58

7.8. Aplicación del programa CR-ME para el cálculo del transito .................................................... 60

8. FACTOR CLIMA .................................................................................................................................... 61

8.1. Aplicación del programa CR-ME en función al clima del proyecto ........................................... 62

9. EVALUACIÓN GEOTÉCNICA ............................................................................................................. 63

9.1. Exploración del subsuelo ............................................................................................................ 63

10. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO ............................................................. 65

10.1. Ensayos realizados a la carpeta asfáltica .................................................................................... 65

10.2. Ensayos realizados a la subbase granular ................................................................................... 68

10.3. Ensayos realizados al mejoramiento con crudo de río ................................................................ 71

10.4. Ensayos realizados la subrasante ................................................................................................ 71

8

11. SECTORIZACIÓN DE TRAMOS HOMOGÉNEOS ........................................................................ 74

11.1. Subrasante mejorada ................................................................................................................... 75

12. APLICACIÓN DE LA INTERFAZ DE MATERIALES CR-ME, CONDICIONES INICIALES DEL

PAVIMENTO .................................................................................................................................................. 76

12.1. Unidad de diseño 1 del K0+000 al K0+500 ............................................................................... 76

12.2. Unidad de diseño 2 del K0+500 – K0+800 ................................................................................ 84




13. ANÁLSIS Y RESULTADOS DE LAS CONDICIONES INICIALES DE LA VÍA ......................... 91

14. PROPUESTA DE REHABILITACIÓN ............................................................................................. 93

14.1. Unidad de diseño 1 K0+000 – K0+500 ...................................................................................... 93



14.4. Unidad de diseño 4 K1+500 – K2+000 .................................................................................... 100

14.5. Unidad de diseño 5 K2+000 – K2+670 .................................................................................... 101

15. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LA SOBRECARPETA DE 10CM ................................. 104

16. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS COMPARACIÓN DE CONDICIONES .............................. 106

17. CONCLUSIONES ............................................................................................................................ 109

18. RECOMENDACIONES ................................................................................................................... 113

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................ 114

9

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.Figura 1 Etapas de deterioros en pavimentos flexibles ..................................................................... 18

Figura 2. Variación de la capacidad estructural de un pavimento en el tiempo. .............................................. 20

Figura 3. Componentes claves de las metodologías mecanicistas ................................................................... 22

Figura 4. Esquema de generación del agrietamiento por Fatiga. ..................................................................... 24

Figura 5. Acumulación de la deformación permanente. ................................................................................... 24

Figura 6. Interfaz Principal .............................................................................................................................. 28

Figura 7. Datos del proyecto ........................................................................................................................... 28

Figura 8. Datos del proyecto ........................................................................................................................... 29

Figura 9. Datos de entrada. .............................................................................................................................. 29

Figura 10. Interfaz principal módulo tránsito. ................................................................................................. 30

Figura 11. Menú para el Nivel 2 de la variable tránsito. ................................................................................. 30

Figura 12. Interfaz ejes equivalentes de carga. ................................................................................................ 31

Figura 13. Interfaz ejes equivalentes de carga. ................................................................................................ 32

Figura 14. Selección de la cantidad de capas. ................................................................................................. 32

Figura 15. Ingreso de las propiedades de la mezcla asfáltica en Nivel 3. ........................................................ 33

Figura 16. Nivel 3 de datos del ligante. ........................................................................................................... 33

Figura 17. Curva maestra. ............................................................................................................................... 34

Figura 18. Ventana de ingreso Nivel 3 base granular. ..................................................................................... 35

Figura 19. Datos de ingreso de subrasante Niveles 1, 2 y 3. ........................................................................... 36

Figura 20. Criterios de aceptación. .................................................................................................................. 37

Figura 21. Modelos de estimación de repeticiones permitidas por fatiga de abajo hacia arriba. ..................... 37

Figura 22. Modelos de estimación de repeticiones permitidas por fatiga de arriba hacia abajo. ..................... 38

Figura 23. Modelo de Ahuellamiento. ............................................................................................................. 38

Figura 24. Funciones de transferencia. ............................................................................................................ 39

Figura 25. Ahuellamiento en la base. .............................................................................................................. 39

Figura 26. Ahuellamiento en la subrasante. ..................................................................................................... 39

Figura 27. Módulos resilientes mensuales para las capas no ligadas y módulo dinámico mensual de la carpeta

asfáltica. ............................................................................................................................................................ 40

Figura 28. Daño por fatiga, área agrietada y agrietamiento longitudinal. ....................................................... 41

Figura 29. Ahuellamiento en cada capa. .......................................................................................................... 41

Figura 30. Flujograma de trabajo para el presente estudio. Fuente propia. ..................................................... 46

Figura 31. Localización del tramo de vía Trocha 12 acceso al Pozo Trogon. ................................................. 47

Figura 32. Interfaz Principal del CR-ME proyecto vía Trogon ....................................................................... 49

Figura 33. Clasificación de vehículos en Colombia. ........................................................................................ 51

Figura 34. Trayectoria de crecimiento del PIB en el mediano plazo (%) (Escenario base) ............................. 55

Figura 35.Designación de tipos de vehículos en Colombia ............................................................................. 57

Figura 36. Datos de entrada y cálculo de ESAL por el CR-ME ...................................................................... 60

Figura 37. Registro de datos del caso de estudio, programa CR-ME .............................................................. 62

Figura 38. Localización de apiques y sondeos ................................................................................................ 63

Figura 39. Granulometría de la MDC-19 tramo K0+500 briqueta del año 2019 ............................................. 66

Figura 40. Granulometría subbase granular Apique 1 año 2019 – datos de la Tabla 40 ................................. 70

Figura 41. Valores de CBR de la subbase granular ......................................................................................... 70

Figura 42. Perfil estratigráfico del corredor vial.............................................................................................. 73

Figura 43. Perfil promedio vía Trogon ............................................................................................................ 74

Figura 44. Subrasante mejorada propuesta por Ivanov .................................................................................... 75

Figura 45. Inicio de la Interfaz de materiales .................................................................................................. 76

Figura 44. Registro de datos propiedades de la mezcla asfáltica, programa CR-ME ...................................... 77

Figura 47. Registro de datos propiedades del ligante asfáltico, programa CR-ME ......................................... 77

Figura 48. Generación de la Curva Maestra, programa CR-ME ..................................................................... 78

Figura 49. Datos de la capa de subbase granular, programa CR-ME .............................................................. 78

Figura 50. Datos de la subrasante mejorada, programa CR-ME ..................................................................... 79

Figura 51. Modelos de desempeño, programa CR-ME ................................................................................... 79

Figura 52. Agrietamiento de abajo hacia arriba, para Carpeta asfáltica-programa CR-ME ............................ 80

Figura 53. Agrietamiento de arriba hacia abajo, para Carpeta asfáltica-programa CR-ME ............................ 80

10

Figura 54. Ahuellamiento, para Carpeta asfáltica-programa CR-ME ............................................................. 81

Figura 55. Funciones de transferencia, para Carpeta asfáltica-programa CR-ME .......................................... 81

Figura 56. Ahuellamiento para la subbase granular-programa CR-ME .......................................................... 81

Figura 57. Ahuellamiento subrasante-programa CR-ME ................................................................................ 82

Figura 58. Interfaz principal con todos los datos introducidos - programa CR-ME ........................................ 82

Figura 59. Módulo Resiliente y Módulo Dinámico Unidad de diseño 1- programa CR-ME .......................... 83

Figura 60. Daño por Fatiga Unidad de diseño 1 - programa CR-ME .............................................................. 83

Figura 61. Ahuellamiento Unidad de diseño 1- programa CR-ME ................................................................. 84

Figura 62. Módulo de las capas granulares y Módulo dinámico de la mezcla Unidad de diseño 2 - programa

CR-ME ............................................................................................................................................................. 85

Figura 63. Daño por Fatiga del pavimento existente Unidad de diseño 2 - programa CR-ME ....................... 85

Figura 64. Daño por Ahuellamiento del pavimento existente Unidad de diseño 2- programa CR-ME .......... 86

Figura 65. Módulo de las capas granulares y Módulo dinámico de la mezcla Unidad de diseño 3- programa

CR-ME ............................................................................................................................................................. 86

Figura 66. Daño por Fatiga del pavimento existente Unidad de diseño3 - programa CR-ME ........................ 87

Figura 67. Daño por Ahuellamiento del pavimento existente Unidad de diseño 3- programa CR-ME .......... 87

Figura 68. Módulo de las capas granulares y Módulo dinámico de la mezcla Unidad de diseño 4- programa

CR-ME ............................................................................................................................................................. 88


Figura 70. Daño por Ahuellamiento del pavimento existente Unidad de diseño 4 - programa CR-ME ......... 89

Figura 71. Módulo de las capas granulares y Módulo dinámico de la mezcla Unidad de diseño 5 - programa

CR-ME ............................................................................................................................................................. 89


Figura 73. Daño por Ahuellamiento del pavimento existente Unidad de diseño 5 - programa CR-ME ......... 90

Figura 74. Capa asfáltica para instalar como sobrecarpeta - programa CR-ME .............................................. 93

Figura 75. Propiedades de la mezcla asfáltica para sobrecarpeta Unidad de diseño 1- programa CR-ME ..... 94

Figura 76. Propiedades de los materiales para sobrecarpeta Unidad de diseño 1- programa CR-ME ............. 95

Figura 77. Daño por Fatiga para sobrecarpeta Unidad de diseño 1- programa CR-ME .................................. 95

Figura 78. Daño por Ahuellamiento para sobrecarpeta Unidad de diseño 1- programa CR-ME .................... 96



Figura 81. Daño por Fatiga para sobrecarpeta Unidad de diseño 2- programa CR-ME .................................. 97

Figura 82. Daño por Ahuellamiento para sobrecarpeta Unidad de diseño 2 - programa CR-ME ................... 98



Figura 85. Daño por Fatiga para sobrecarpeta Unidad de diseño 3 - programa CR-ME ................................. 99

Figura 86. Daño por Ahuellamiento para sobrecarpeta Unidad de diseño 3 - programa CR-ME ................. 100

Figura 87. Propiedades de los materiales para sobrecarpeta Unidad de diseño 4 - programa CR-ME .......... 100

Figura 88. Daño por Fatiga para sobrecarpeta Unidad de diseño 4 - programa CR-ME ............................... 101


Figura 90. Propiedades de los materiales para sobrecarpeta Unidad de diseño 5 - programa CR-ME .......... 102

Figura 91. Daño por Fatiga para sobrecarpeta Unidad de diseño 5 - programa CR-ME ............................... 102


11

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Parámetros elásticos fundamentales ................................................................................................... 21

Tabla 2. Valores típicos de la relación de Poisson (µ)...................................................................................... 25

Tabla 3. Normas INVIAS aplicadas en el estudio de geotecnia y pavimentos. ................................................ 42

Tabla 4. Condiciones ambientales, Guamal-Meta ............................................................................................ 47

Tabla 5. Serie histórica y composición del tránsito promedio diario vía ACACIAS-GUAMAL..................... 50

Tabla 6. Resultados del aforo en la vía trocha 12, en una semana típica. ......................................................... 50

Tabla 7. Listado de cargas para el taladro RIG 993 de Nabors. ....................................................................... 53

Tabla 8. Vehículos de carga, ingreso y salida de dos pozos, dos movilizaciones ............................................ 53

Tabla 9. Vehículos de carga de completamiento, ............................................................................................. 53

Tabla 10. Vehículos de carga para construcción y adecuación plataforma ...................................................... 54

Tabla 11. Consolidado de vehículos que intervienen para la perforación de dos pozos ................................... 54

Tabla 12. Consolidado de TPD del tránsito para la vía de acceso al Pozo Trogon .......................................... 54

Tabla 13. Cálculo del TPD afectado según el crecimiento en el país (PIB) ..................................................... 56

Tabla 14. Fórmulas Simplificadas para el cálculo del factor de equivalencia de carga por eje (AASHTO) .... 56

Tabla 15. Cálculo del FECE para el proyecto de estudio ................................................................................. 57

Tabla 16. Factor de distribución por carril. ...................................................................................................... 58

Tabla 17. Cálculo del TDP por afectación del Fd y Fca ................................................................................... 58

Tabla 18. Cálculo del ESALs o Ejes equivalentes N en el período de diseño .................................................. 59

Tabla 19. Niveles de confianza sugerido por ASSHTO’93 .............................................................................. 59

Tabla 20. Rangos de tránsito contemplados en la norma. ................................................................................ 59

Tabla 21. Valores de Temperatura media mensual multianual ......................................................................... 61

Tabla 22. Cálculo del índice de Thornwaite ..................................................................................................... 61

Tabla 23. Niveles de tránsito ............................................................................................................................ 64

Tabla 24. Espesores de la carpeta asfáltica ....................................................................................................... 65

Tabla 25. Tipo de mezcla por utilizar en función del tipo y espesor compacto de la capa ............................... 65

Tabla 26. Franjas granulométricas para mezclas asfálticas en caliente de gradación continua ........................ 65

Tabla 27. Franjas granulométricas briqueta tramo K0+000-K1+025 ............................................................... 66

Tabla 28. Criterios para diseñar una mezcla asfáltica de gradación continua por el método Marshall ............ 67

Tabla 29. Resultados de los ensayos realizados a la carpeta asfáltica .............................................................. 67

Tabla 30. Espesor de la subbase granular ......................................................................................................... 68

Tabla 31. Requisitos de los agregados para subbases granulares ..................................................................... 68

Tabla 32. Franjas granulométricas del material de subbase granular ............................................................... 69

Tabla 33. Resultados de los ensayos de laboratorio ......................................................................................... 69

Tabla 34. Granulometría subbase granular, apique 1 año 2019 ........................................................................ 69

Tabla 35. Características del material de mejoramiento de crudo de río .......................................................... 71

Tabla 36. Características del suelo de la subrasante ......................................................................................... 72

Tabla 37. Valores de CBR obtenidos para el suelo de la subrasante ................................................................ 72

Tabla 38. Características de las Unidades de Diseño definidas ........................................................................ 74

Tabla 39. Cálculo del módulo resiliente dele mejoramiento y la subrasante .................................................... 75

Tabla 40. Cálculo de la fórmula de Ivanov y obtención del CBR de la subrasante mejorada .......................... 75

Tabla 41. Consolidado de resultados condiciones iniciales del pavimento ...................................................... 91

Tabla 42. Resultados por daño por Fatiga y Ahuellamiento de las condiciones iniciales del pavimento ......... 92

Tabla 43. Propiedades de los materiales con una sobrecarpeta MDC-19 ....................................................... 104

Tabla 44. Consolidado de los valores por daño de Fatiga y Ahuellamiento con una sobrecarpeta tipo MDC-19

........................................................................................................................................................................ 104

Tabla 45. Comparativo de valores por daño de Fatiga, condiciones iniciales vs sobrecarpeta....................... 106

Tabla 46. Comparativo de valores por daño por Ahuellamiento con una sobrecarpeta tipo MDC-19 ........... 106

Tabla 47. Comparativo de Módulos resilientes para subbase y subrasante .................................................... 107

Tabla 48. Comparativo de Módulos dinámicos .............................................................................................. 108

12

L ISTA DE ANEXOS

ANEXO A ...................................................................................................................................................... 116

ANEXO B ...................................................................................................................................................... 118

ANEXO C ...................................................................................................................................................... 125

13

RESUMEN

El desarrollo económico en Colombia está asociado al de la industria petrolera; por lo que se constituye

una fuente y motor de generación de proyectos, empleos directos e indirectos, tercerización de sectores como

el transporte de carga pesada, y es indiscutiblemente el aportante económico principal de nuestras regiones.

Las compañías petroleras deben aprovechar la infraestructura vial existente, ya sean vías urbanas o

rurales, con un pavimento existente o sin trazados previos y en condiciones de carreteables o incluso inexistentes

trazados; el objetivo principal de las vías es que son los corredores de acceso hasta sus plataformas, estaciones,

o infraestructura existente, y por ende requieren de intervenciones parciales o definitivas, según lo establezcan

sus metas físicas de los proyectos en ejecución, dependiendo la zona en que realizan las actividades.

Debido a la importancia que tiene el empleo de las vías, es que se hace imperativo realizar estudios

basados en las condiciones reales del tránsito en las zonas impactadas por el desarrollo industrial. El tipo de

tránsito y transporte empleado en esta industria, ha generado el deterioro acelerado en los pavimentos existentes,

por la falta de controles de pesaje y el aumento de la frecuencia de los mismos.

El estudio está enfocado en el análisis de la estructura del pavimento existente por medio de

metodologías empírico mecanicistas, para evaluar los esfuerzos y deformaciones en las capas granulares, la

capa asfáltica y la subrasante.

Los diseños de pavimentos flexibles en Colombia, están basados en metodologías empíricas como es

el método AASHTO 93, pero con el pasar de los años, el Instituto Nacional de Vías, ha sumado los criterios

mecanicistas a sus manuales y guías para pavimentos flexibles, permitiendo realizar la verificación de la vida

residual de un pavimento, aplicando procesos de rehabilitación que permitan extender la capacidad estructural

o determinar incluso la reconstrucción de un tramo.

En el documento se realizan cálculos y análisis del tránsito basados en el cálculo de ejes equivalentes

siguiendo el Manual de diseño de pavimentos flexibles en vías con medios y altos volúmenes de tránsito del

Instituto Nacional de Vía, y para el diseño de la rehabilitación se emplea el programa de la Universidad de

Costa Rica PITRA-CR-ME VERSIÓN BETA, que permite la evaluación de los materiales, los esfuerzos a la

luz de las leyes de fatiga y el ahuellamiento de la totalidad de las capas del pavimento.

Con todo lo anterior, el ejercicio del estudio, determina que en términos de rehabilitación la colocación

de una sobrecarpeta permite el cumplimiento de los requerimientos de carga y tiempo de acuerdo con las

necesidades del proyecto.

Cumpliéndose para cada una de las unidades de diseño los daños por fatiga de arriba hacia bajo y de

abajo hacia arriba, en las dos carpetas de mezcla asfáltica, y ahuellamiento de todas las capas que integran la

estructura del pavimento; estos datos los arroja el programa CR-ME, y permite evaluar, el cumplimiento de

éstas premisas, en el periodo de diseño para el tránsito esperado, durante la perforación de los dos pozos.

14

1. INTRODUCCIÓN

Una de las industrias más fuertes en nuestro país corresponde a la petrolera, la cual depende y requiere de

la infraestructura vial existente en nuestras regiones para la expansión de sus programas y campañas de

perforación. Por lo tanto, dentro del alcance del desarrollo de proyectos petroleros se incluye la construcción

y/o mejoramientos de vías para garantizar el acceso a áreas de exploración o desarrollo. Los campos petroleros

se encuentran principalmente en zonas rurales, por ello, las movilizaciones de los equipos necesarios se realizan

a través de la red vial nacional, empleando vías departamentales, municipales, veredales y hasta servidumbres

privadas.

Ecopetrol S.A., realiza actualmente campañas de exploración y desarrollo de nuevos pozos productores de

petróleo en el departamento del Meta. Más específicamente, en el municipio de Guamal, donde lleva varios

años ejecutando campañas de exploración con el sondeo de pozos localizados estratigráficamente.

Durante la campaña de exploración del año 2017, Ecopetrol S.A. ingresó en la Vereda Pio XII del municipio

de Guamal en donde construyó la plataforma denominada Trogon. Durante el proceso de ingreso y para dar

cumplimiento y cierres a temas sociales, se comprometió a mejorar la vía veredal denominada Trocha 12

mediante la construcción de alcantarillas y de una estructura de pavimento compuesta de una subbase granular

y una capa de rodadura tipo MDC-19 (denominación INVIAS). Actualmente, la empresa espera retomar esta

plataforma para la próxima campaña de perforación entre los años 2020-2021, lo que lleva a plantear una

revisión de la estructura existente de la Trocha 12 para determinar su pertinencia con las cargas y solicitaciones

bajo las cuales estará sometida a causa del proyecto en marcha.

Un diagnóstico previo ha permitido determinar que la vía o trocha 12 se ha construido sin cumplir estándares

de calidad y diseño, y empleando materiales granulares sin las especificaciones requeridas. Cabe aclarar que la

vía inició como una servidumbre acordada entre los propietarios de las fincas aledañas y que posteriormente las

diferentes administraciones municipales han realizado mantenimientos y algunas obras de drenaje dentro de sus

planes de ordenamiento territorial (POT). Adicionalmente, se ha encontrado que hasta el 2017 la vía poseía una

rodadura denominada “Crudo de Castilla”, sistema empleado por muchos años en el departamento del Meta

como capa de rodadura; además, Ecopetrol S.A, realizó mantenimientos del tramo durante el período de

perforación del pozo Trogon 1 con la colocación de una carpeta de rodadura tipo MDC-19 con 5 cm de espesor.

Sin embargo, ninguna de estas obras se ha desarrollado a partir de estudios geotécnicos ni bajo ningún diseño

de pavimento que tenga en cuenta datos del tránsito con el cual se estaba interviniendo durante la perforación

del pozo.

15

2. GENERALIDADES DEL ESTUDIO

2.1. Planteamiento del problema

¿Cómo optimizar un pavimento existente, que no cuenta con diseños previos que sustenten su estructura

actual?, teniendo en cuenta que, estará sometido a cargas de tránsito extrapesadas, y con una intensidad de

mayor frecuencia en un tiempo delimitado por periodos cortos, pero que requiere ser empleada en toda su

totalidad en condiciones óptimas de funcionalidad y con la capacidad suficiente para soportar el tránsito.

2.2. Antecedentes del problema en estudio

El caso en evaluación, se basa en la falta de estudios que se omitieron por parte de Ecopetrol para garantizar

que la estructura de pavimento construido en el tramo de la vía Trocha 12, corresponde con las necesidades de

la plataforma del pozo exploratorio Trogon 1. Inicialmente esta era una vía de acceso únicamente para los

residentes de la vereda Pio XII, correspondiente a fincas de ganadería extensiva, y de predios que actualmente

se desarrollan para loteo.

La vía correspondía con un carreteable de servidumbres veredales, la cual tenía mantenimientos

permanentes con la conformación de la banca y sellos de baches mediante la instalación de material tipo

afirmado; por sectores se localizaba una rodadura tipo crudo de castilla, que corresponde básicamente a la

estabilización con crudo y un material granular tipo base, el cual genera un tipo de rodadura impermeable. Pero

en el tramo denominado Trocha 12, este tratamiento ya presenta un alto deterioro y baches constantes.

Dentro de los compromisos adquiridos con la comunidad por parte de Ecopetrol, correspondió con el

mejoramiento de la vía; sin embargo, la necesidad de dar cumplimiento a estos acuerdos, premeditó la decisión

de llevar a cabo la construcción de un pavimento sin ninguna garantía de que cumpliera una capacidad

estructural adecuada y correspondiente con el tipo de tránsito que ingresa a la zona de desarrollo del proyecto.

Teniendo en cuenta que Ecopetrol nuevamente va a ingresar a la zona de la plataforma para la perforación

de dos pozos más, determinó realizar la revisión de la estructura de pavimento, toda vez que requiere que la vía

se mantenga con capacidad y funcionalidad por dos años. Para ello prevé que si requiere algún tipo de

intervención se realice antes de la movilización de los equipos, y que funcione por dos años, sin mayores

intervenciones durante este periodo de tiempo.

Por lo que se realizará dicho estudio para plantear una alternativa de rehabilitación, teniendo como premisa,

que se pueda mantener y emplear en su totalidad la estructura existente. Realizando un análisis del tránsito de

carga extrapesada y de los esfuerzos y deformaciones en las capas granulares y asfálticas, para alcanzar la

definición del espesor de una sobrecarpeta como una primera opción en la rehabilitación del pavimento.

2.3. Justificación del problema

En la región de los llanos orientales se han comenzado a abrir nuevas industrias agrícolas, ganaderas o

minero energéticas, las cuales se encuentran localizadas en zonas distantes del territorio, y no consideran la

inversión requerida para realizar adecuaciones y/o mantenimientos que garanticen la funcionalidad de las vías

transitadas.

Es así como en la región es fácil ver que el transporte de tractomulas excede los pesos permitidos en vías

terciarias, tanto por la falta de control de pesaje, como ausencia total de entes de control en general. Tanto en

la industria petrolera como en la agroindustrial, se ve claramente como la necesidad de expansión del negocio

lleva a la utilización de vehículos de carga extrapesada que impactan a gran escala la infraestructura existente.

Por consiguiente, los pavimentos existentes en la zona, con o sin una rodadura tipo asfalto, concreto o crudo de

castilla, se ven sometidos a daños acelerados.

De esta manera, se ha evidenciado la necesidad de realizar revisiones del tránsito existente en determinadas

zonas, para estar así en la capacidad de determinar un factor camión confiable de la red vial correspondiente, y

16

desarrollar diseños, y/o rehabilitaciones acordes a la realidad y necesidades de la industria; pues una correcta

planificación de las mejoras de un pavimento exige, además del conocimiento de las condiciones físicas y

estructurales de la carretera, una apropiada valoración del tránsito pasado, actual y futuro de la misma [1].

Por consiguiente, es vital hacer que las empresas tales como Ecopetrol S.A. se concienticen de la

importancia de realizar estudios previos de las vías requeridas para el desarrollo de sus proyectos; y de esta

manera, se empiecen a desarrollar estudios básicos y diagnósticos adecuados que lleven a generar trazados

viales óptimos y que además permitan el diseño y construcción de vías acorde a solicitaciones reales.

Para el caso de estudio, es relevante identificar hasta qué punto una estructura de pavimento con ausencia

total de un diseño metodológico, como aquella de la Trocha 12, es aprovechable. Teniendo en cuenta que, la

Trocha 12 posee una estructura ya existente, y que ha tenido una inversión, tanto del estado como del sector

privado. Así mismo, este trabajo busca evidenciar como diferentes métodos de análisis, tanto para el tránsito

como para la estructura del pavimento, mediante teorías mecanicistas son adaptables a este tipo de problemas,

que son el día a día en muchos proyectos.

2.4. Objetivos

2.4.1 Objetivo general

Evaluar la estructura del pavimento existente de la Trocha 12 (vía de acceso al Pozo Trogon), mediante

métodos empírico-mecanicistas para determinar la pertinencia de su capacidad estructural ante las solicitaciones

de tránsito futuro y evaluar la oportunidad de rehabilitación con una sobrecarpeta.

2.4.2 Objetivos específicos

Siguiendo la metodología de análisis de tránsito del INVIAS (para medios y altos volúmenes de

tránsito), calcular el factor camión y el número de ejes equivalentes de 8,2 ton (ESAL´s) en la zona

del proyecto.

Realizar el diseño estructural del pavimento a partir del programa de Diseño Mecanicista Empírico

para Pavimentos Flexibles de la Universidad de Costa Rica, PITRA CR-ME.

Determinar si la colocación de una sobre-carpeta permite que el pavimento cumpla con las

solicitaciones del tránsito requerido, y verificar si la estructura existente cumple con la capacidad

estructural para soportar este tránsito antes de presentar fallas por deformación.

17

3. MARCO TEÓRICO

2.1 Generalidades de la Rehabilitación de Pavimentos

De acuerdo con la Guía Metodológica para el Diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos

de carreteras en servicio a cargo del Instituto Nacional de Vías (Invías), el término “rehabilitación” se define

como un mejoramiento funcional o estructural del pavimento, que da lugar a una extensión de su vida de

servicio, como provisión de una superficie de rodamiento más cómoda y segura y a reducciones en los costos

de operación [1].

Lo anterior, la rehabilitación funcional hace referencia a la restauración y parcialmente al refuerzo,

teniendo en cuenta que éste último tiene como objetivo corregir deficiencias funcionales; y la rehabilitación

estructural puede quedar comprendida en el refuerzo si éste se construye con el fin principal de prolongar la

vida de servicio de la calzada [1].

La misma Guía nos especifica que:

Restauración, consiste en la ejecución de trabajos que mejoran la capacidad funcional del pavimento,

pero no aumentan su capacidad estructural.

Refuerzo, consiste en la colocación de capas de pavimento que proporcionan capacidad estructural

adicional o mejoran el nivel de servicios de los usuarios.

Reciclado, consiste en la reutilización de parte de las capas de la estructura existente, para mejorar su

capacidad estructural. La adición de materiales nuevos es necesaria para mejorar la resistencia y el

comportamiento del pavimento mejorado.

Reconstrucción, consiste en la remoción de capas y el reemplazo parcial o total del pavimento. [1]

Cuando se determina que un pavimento requiere un proceso de rehabilitación, se estaría indicando que no

se cumple una o varias de las siguientes características, para los cuales un pavimento fue diseñado y construido:

Ser resistente a la acción de las diferentes cargas impuestas por el tránsito.

Ser resistentes a los agentes del intemperismo.

Tener textura adecuada para el rodamiento con una fricción apropiada para evitar el deslizamiento y

además resistente al desgaste producido por el efecto abrasivo de las llantas.

Ser durable.

Tener condiciones adecuadas respecto al drenaje.

Ser económico.

Debe poseer el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramientos, y ofrecer una adecuada

seguridad al tránsito. [2]

En teoría un pavimento correctamente diseñado es aquel que al final del período de servicio previsto ha

soportado la carga del tránsito estimada y está llegando al umbral de falla funcional. Para lograr este equilibrio

es necesario proporcionar una adecuada capacidad estructural mediante el conocimiento y ponderación de los

siguientes aspectos [3]:

1) Correcto diseño de espesores y materiales:

- Condiciones de solicitación a los que se verá sometida la estructura como son el tránsito y el clima.

Estos aspectos se consideran en los denominados métodos racionales de diseño, valorando el

número acumulado de ejes de 8,20 toneladas durante el período de diseño y la temperatura media

ponderada anual del geográfico del pavimento.

- La capacidad de soporte del suelo de fundación de la estructura.

- Las características del esfuerzo - deformación de los materiales constitutivos de las capas. Estos

parámetros se evalúan a través de los módulos de elasticidad dinámico (E), y de la relación de

poisson (µ).

18

- El comportamiento en fatiga de los materiales constitutivos de las capas especialmente de las capas

asfálticas.

- Un modelo que represente la respuesta esfuerzo-deformación de todo el paquete estructural ante

las cargas externas, como por ejemplo la teoría elástica multicapa.

2) Eficiente sistema de drenaje y obras complementarias.

3) Procesos constructivos de conformidad con las especificaciones.

4) Adecuado mantenimiento preventivo.

El buen servicio de un pavimento es su capacidad para proporcionar a los usuarios comodidad, seguridad

y economía. La recuperación del nivel de servicio de un pavimento en uso, por medio de obras de rehabilitación,

se hace necesaria por una o más de las siguientes razones [1]:

Incomodidad para la circulación vehicular.

Exceso de defectos superficiales.

Reducción de la adherencia entre la calzada y los neumáticos de los vehículos.

Necesidad excesiva de servicios de mantenimiento rutinario.

Costos de operación elevados para los usuarios.

Capacidad estructural inadecuada para las solicitaciones del tránsito previsto.

Las actividades requeridas para la rehabilitación de las estructuras de pavimento se van haciendo más

importantes, en magnitud y costo, a medida que ellas se deterioran a causa de los efectos ambientales y el

tránsito.

El deterioro de un pavimento se da desde una etapa inicial, con un deterioro casi imperceptible hasta el

deterioro total. Es por ello que los pavimentos se proyectan para que sirvan un determinado número de años,

esta proyección es denominada ciclo de vida útil, Ver figura 1.

Figura 1 Etapas de deterioros en pavimentos flexibles

Fuente: Naciones Unidad, 1994

3.2. Fallas en los pavimentos flexibles

Durante la vida de servicio de un pavimento, causas de diverso origen afectan la condición de la superficie

de rodamiento, lo cual compromete su función de ofrecer a los usuarios la posibilidad de un rodaje seguro,

cómodo y económico [4]. Entre las causas de falla de un pavimento se pueden mencionar:

1) Fin del período de diseño original y ausencia de acciones de rehabilitación mayor durante el

mismo. En este caso la falla es la prevista o esperada.

2) Incremento del tránsito con respecto a las estimaciones del diseño de pavimento original.

3) Deficiencias en el proceso constructivo, bien sea en procesos como tal como en la calidad de

los materiales empleados.

19

4) Diseño deficiente (errores en la estimación del tránsito o en la valoración de las propiedades

de los materiales empleados).

5) Factores climáticos imprevistos (lluvias extraordinarias).

6) Insuficiencia de estructuras de drenaje superficial y/o subterráneo.

7) Insuficiencia o ausencia de mantenimiento y/o rehabilitación de pavimentos.

Dependiendo de su origen, las fallas pueden ser clasificadas como fallas funcionales (superficiales) o fallas

estructurales. En el primer caso, el defecto se presenta o circunscribe a la superficie de la capa asfáltica y las

acciones de reparación se dirigen a la corrección de la fricción (seguridad), o al restablecimiento de la rugosidad

o regularidad (comodidad), lo cual se logra con la colocación de capas asfálticas de bajo espesor que no

contribuyen desde el punto de vista estructural.

Por su parte las fallas estructurales tienen su origen en defectos en una o más de las capas que conforman

la estructura del pavimento, las cuales están destinadas a resistir y compartir los esfuerzos impuestos por el

tráfico, de manera que a nivel de subrasante o suelo de fundación del pavimento lleguen los menores esfuerzos

y lo más distribuido posible. En estos casos la corrección de las fallas va dirigida al refuerzo de la estructura

existente mediante la colocación de una capa cuyo espesor debe ser calculado en función de los requerimientos

de las cargas de tráfico previstas en el período de tiempo previsto para la rehabilitación.

La falla estructural se deriva de dos causas fundamentales:

1) Cuando la capacidad de deformación-recuperación de los materiales que conforman la estructura de

pavimento es “excedida más allá del valor que determinan las deformaciones recuperables por

elasticidad instantánea y retardada, desarrollándose deformaciones permanentes (ahuellamiento) en

cada aplicación de las cargas, las que se acumulan modificando los perfiles de la calzada hasta valores

que resultan intolerables para la comodidad, seguridad y rapidez del tránsito y aún pueden provocar el

colapso de la estructura” [5].

2) Cuando el ahuellamiento ocurre en las capas asfálticas, el mismo obedece a la presencia de mezclas

que van acumulando deformaciones bajas en magnitud pero permanentes en el tiempo debido al paso

continuo del tránsito pesado (camiones). El ahuellamiento puede ocurrir directamente en la capa

asfáltica superficial o en alguna otra capa asfáltica subyacente cuya deformación luego es reflejada

por la capa superficial. En particular las capas asfálticas sufren el fenómeno denominado “fatiga”

cuando el número de aplicaciones de las cargas pesadas es elevado, lo que se traduce en reducción de

sus características mecánicas. En este caso la deformación horizontal por tracción en la parte inferior

de las capas asfálticas al flexionar la estructura, puede exceder el límite crítico y se llega a la iniciación

del proceso de fisuramiento” [5].

3) En Colombia nos ceñimos bajo el esquema y metodología del Invias (para las vías de orden nacional),

para la determinación e inventario del tipo de deterioros en los pavimentos asfálticos y diferentes

niveles de gravedad para cada tipo. Estos deterioros se deben identificar considerando tres factores:

tipo, gravedad y extensión [1]. Cualquier procedimiento de inspección de deterioros que ignore

siquiera uno de estos tres factores, no brindará la información adecuada para establecer un juicio

apropiado sobre la condición del pavimento. No obstante, no existe un criterio universal para la

valoración de cada uno de estos factores, razón por la cual se presentan diferencias, a veces

importantes, entre los criterios adoptados por una u otra agencia.

3.3. Factores que afectan los pavimentos flexibles

Los factores que, independientemente del método y calidad del diseño de un pavimento, afectan en forma

predominante a este, pueden considerarse comprendidos en los siguientes grupos:

1) Tránsito: Se debe considerar la configuración de los ejes (simples, dobles y triples), el número de

repeticiones, el área de contacto de la llanta con el pavimento, y la velocidad con la cual transitan los

vehículos [6].

2) Materiales: Se debe conocer a fondo las características de los materiales, esto porque es una medida

para el diseño del pavimento e influye directamente en el comportamiento estructural. La fisuración

por fatiga, las deflexiones y el agrietamiento por bajas temperaturas son criterios de falla, los cuales

20

se pueden controlar por medio de los parámetros de diseño estableciendo mínimos, además de crear

un buen plan de mantenimiento y rehabilitación para evitar el deterioro acelerado y grandes

inversiones.

3) Medio ambiente: La temperatura y la precipitación son factores que se deben considerar para el diseño

de los pavimentos, ya que estos inciden sobre el módulo resiliente de los materiales. La temperatura

incide sobre la carpeta asfáltica, donde a temperaturas elevadas el módulo resiliente disminuye y con

ello ocasiona la formación de ahuellamientos al paso de vehículos pesados a bajas velocidades; y a

temperaturas muy bajas o congelamiento, se puede dar el agrietamiento por el endurecimiento del

asfalto. La precipitación afecta el módulo resiliente de la subrasante, dado que a mayor presencia de

humedad se ocasiona un daño mayor sobre el pavimento al transitar los vehículos, debido a la pérdida

de finos y con ello la pérdida de capacidad de la estructura. Además, el agua afecta la resistencia de

los materiales granulares y, se presenta expansión y contracción del suelo.

3.4. Evaluación del pavimento para el diseño del refuerzo

Debido a la acción de las cargas del tránsito, las inclemencias del tiempo, deficiencias en los materiales

utilizados y errores en los métodos constructivos; y con el transcurso del tiempo, el pavimento comienza a

evidenciar diferentes problemas que hacen necesaria la intervención de las autoridades o instituciones

respectivas.

Para poder determinar si una estructura de pavimento es candidata a realizar algún tipo de rehabilitación

(como por ejemplo con una sobrecarpeta o sobrecapa), es necesario conocer la capacidad estructural del

pavimento, así como las deflexiones presentes. Para determinar la capacidad estructural de un pavimento, se

puede realizar ensayos no destructivos por medio del deflectómetro, donde se mide las deflexiones al someter

el pavimento a una carga. También se puede calcular la capacidad estructural del pavimento por medio de la

caracterización de las capas y aplicación de ensayos como el CBR [6]. Una sobrecarpeta o sobrecapa se refiere

a la utilización de un cierto espesor de concreto asfáltico colocado sobre la superficie de rodadura. Las

sobrecapas se pueden construir con un fin funcional, para mejorar la fricción superficial y la comodidad del

usuario, caso en el cual la sobrecapa es delgada y su espesor no se define con base en procedimientos de diseño.

O se puede construir para acondicionar la capacidad estructural del pavimento a la intensidad del tránsito futuro;

en este caso su espesor es mayor y se obtiene como resultado de un diseño. La sobrecapa debe satisfacer la

deficiencia entre la capacidad estructural requerida para soportar el tránsito futuro (Scf), y la capacidad

estructural del pavimento existente (SCeff) [7]; tal como se indica en la Figura 2.

Figura 2. Variación de la capacidad estructural de un pavimento en el tiempo.

Fuente Rehabilitación de pavimentos con refuerzo Método AASHTO ‘93

21

El conocimiento de los sistemas estructurales permite ampliar el análisis de las estructuras y, además,

se pueden transformar sistemas multicapas a sistemas de una, dos o tres caspas para hacer más sencillo el

análisis, en lo referente al diseño; es necesario conocer para ello el comportamiento y la incidencia de cada una

de las variables que inciden en el cálculo de los esfuerzos, deformaciones y deflexiones. Se debe estudiar el

comportamiento interno del modelo estructural ante las solicitaciones de las cargas, en lo referente a los

esfuerzos (), deformaciones () y deflexiones () los cuales se pueden determinar en cualquier punto del

modelo estructural o mediante el uso de programas de cómputo, pero en el caso del diseño de las estructuras de

pavimentos interesan algunos puntos en especial para poder realizar los estudios y análisis correspondientes

para controlar la fatiga, el ahuellamiento o deformación y la deflexión de los pavimentos [8].

3.5. Parámetros fundamentales de un modelo estructural

Se denominan también parámetros elásticos y son esfuerzos, deformaciones específicas y deflexiones,

los cuales son requeridos en el diseño de un pavimento. Los parámetros críticos son: para la subrasante el

esfuerzo vertical de compresión; para la capa bituminosa la deformación horizontal de tracción en la base de la

capa bituminosa; y para capas mejoradas hidráulicamente el esfuerzo máximo de tracción en la base de la capa

estabilizada [9].

Control de fatiga (fisuración): la determinación radial de tracción actuante en la capa bituminosa (Ɛr)

debe ser menor a la deformación radial de tracción admisible (Єr admi), con el fin de controlar la fatiga

de la capa bituminosa ante las solicitaciones de carga impuestas por el tránsito, es decir, los daños

estructurales.

Єr < Єr admi

Control de la deformación (ahuellamiento): la deformación vertical de compresión (Єz) presente sobre

la capa de subrasante deberá ser menor a la deformación vertical de compresión admisible (Єz admi),

con el fin de controlar el ahuellamiento y la deformación de la estructura de pavimento, es decir, los

daños estructurales y funcionales.

Єz < Єz admi

Control de la deflexión: la deflexión vertical (z) presente en la superficie de la estructura deberá ser

menor a la deflexión vertical admisible (z admi), con el fin de controlar el ahuellamiento y la

deformación de la estructura de pavimento, es decir, los daños funcionales.

z < z admi

Los parámetros fundamentales de un modelo estructural se presentan en la Tabla 1.

CAPA PARÁMETRO REQUERIDO TIPO DE FALLA

Capa asfáltica Deformación unitaria horizontal de flexotracción en

la parte inferior.

Fisuramiento cuando no va apoyada sobre base

asfáltica.

Base asfáltica

Deformación unitaria de flexotracción en la parte inferior.

Fisuramiento.

Esfuerzos y deformaciones verticales en la parte

superior. Deformación permanente excesiva.

Bases y subbases con cementación

Tensión de tracción en la cara inferior. Fisuramiento por acción de las cargas, contracción hidrotérmica y bajas temperaturas.

Bases y subbases

granulares y

cohesivas

Tensión horizontal en la parte inferior. Descompactación y pérdida por el módulo resistente.

Esfuerzos de deformación vertical en la parte

superior. Deformaciones permanentes excesivas.

Subrasante Deformación vertical en la parte superior. Esfuerzos verticales y horizontales en la parte

superior corte.

Deformaciones elásticas excesivas.

Deformaciones permanentes excesivas.

Pavimento en conjunto

Deflexiones. Fatiga de los revestimientos y comportamiento estructural.

Radio de curvatura.

Debilidad en la parte superior de la estructura y

fisuramiento por deformaciones de tracción en las capas asfálticas superiores.

Tabla 1. Parámetros elásticos fundamentales

Fuente: Ing.Carlos Higuera Sandoval -Mecánica de Pavimentos Flexibles, Principios Básicos.

22

3.6. Métodos Mecanicistas

Las metodologías mecanicistas pretenden tener un enfoque puramente científico, con un marco teórico

suficiente que permita el análisis completo de la mecánica del comportamiento de un pavimento ante las

acciones del clima y del tránsito vehicular. Esto es, un marco teórico en donde las propiedades fundamentales

de los materiales se conocen, y se pueden determinar en laboratorio o en campo. Esta metodología facilita la

predicción correcta de la evolución en el tiempo de los diferentes deterioros que se pudieran presentar y, por

ende, aumentar en gran medida la confiabilidad de los diseños [10].

Las metodologías basadas en métodos de regresión de resultados en tramos de prueba, como el método

AASHTO actual, se le puede considerar como empírico en el sentido en que su aplicación está rigurosamente

restringida a las condiciones que se utilizaron para su calibración. Por supuesto que ya se manejan conceptos

mecanicistas como el Módulo de Resiliencia, pero sólo como parámetro de cálculo que se correlaciona con el

CBR, y no como una propiedad fundamental del material. En el mejor de los casos, existen métodos de diseño

que se les llama semiempíricos, o empírico-mecanicistas, porque consideran leyes de fatiga de los materiales

en los cálculos de vida útil; por ejemplo, el método Shell o el del Instituto Norteamericano del Asfalto. Pero la

visión que se tiene es tender a métodos puramente mecanicistas.

Las componentes de entrada al proceso de diseño se refieren a la geometría de la estructura; básicamente

son los espesores de cada capa, las propiedades de los materiales que conforman cada una de esas capas, que

serán módulos dinámicos o resilientes, el tipo de clima del medio físico que atravesará la carretera, definido por

precipitación y temperatura, y el nivel de tránsito vehicular definido ya sea en ejes equivalentes, o

preferentemente a través de su correspondiente espectro de distribución de cargas.

Figura 3. Componentes claves de las metodologías mecanicistas

Fuente: Garnica, Paul. Conceptos Mecanicistas en Pavimentos, Publicación Técnica No.258

Definido el diseño inicial se procede al cálculo de lo que se va a llamar, las respuestas estructurales en la

sección estructural del pavimento. Estás respuestas estructurales consisten en conocer la distribución de

esfuerzos (σ), deformaciones unitarias (ε), y deflexiones (δ). El cálculo se realiza básicamente considerando al

pavimento como un medio multicapas en donde el comportamiento de los materiales se basa en la teoría de la

elasticidad [10].

23

3.1.1. Tránsito

El tránsito vehicular constituye la solicitación directa al sistema estructural que constituye el pavimento;

es bajo el paso repetido de los vehículos que los pavimentos se deterioran. Su caracterización es fundamental,

y a la vez muy compleja dada la gran distribución de tipos de vehículos.

Desde el punto de vista estructural, la estimación del tránsito requiere, una estimación el número de ejes

circulantes por carril y su distribución en diferentes grupos de carga, para la actualidad y para la vida futura del

diseño. En algunos casos, también es necesario conocer el tránsito acumulado que ha soportado el pavimento

hasta el instante de la construcción de las obras de rehabilitación. La tendencia cada vez más acentuada hacia

la aplicación de métodos mecanicistas para el diseño de pavimentos asfálticos y de sus rehabilitaciones, exige

una consideración directa y precisa de la relación existente entre las cargas por eje y los factores que determinan

la vida de estas estructuras [1].

El estado colombiano en su visión de fortalecer al máximo su desarrollo social y económico, ha venido

realizando acuerdos comerciales importantes con diferentes naciones del mundo desde 1969. Entre estos

acuerdos se pueden mencionar: el Pacto Andino de Naciones, el grupo de los tres (G-3), acuerdos con la

Organización Mundial del Comercio, Acuerdo CAN-Mercosur, y recientemente el tratado de libre comercio

con Estados Unidos (TLC), entre otros. Estos acuerdos han potencializado el transporte de carga que se moviliza

por las carreteras del territorio nacional, lo que ha traído como consecuencia un incremento gradual, pero

significativo, en la magnitud y frecuencia de las cargas transmitidas por los vehículos comerciales de carga a

las estructuras de pavimento, lo que puede traducirse en un deterioro acelerado de tales estructuras [11].

En consecuencia, es relevante caracterizar adecuadamente el tráfico de carga incluyendo la determinación

de factores camión actualizado que den cuenta de los efectos progresivos del incremento de cargas pesadas en

las vías como resultado de los avances en materia de intercambio comercial y actualización del parque

automotor nacional [11].

Varios expertos a nivel internacional han desarrollado investigaciones encaminadas a estudiar el daño

producido a los pavimentos a partir de las distintas configuraciones de ejes y camiones que generan las cargas

de tránsito. Se ha indicado que el ahuellamiento en pavimentos asfálticos (o flexibles) es producido mayormente

por los ejes tridem de vehículos con altos niveles de carga, mientras que los agrietamientos (i.e., daño por fatiga)

son generados principalmente por el efecto de los ejes tándem y simples de camiones pesados [11].

En ese sentido, autores como Jeongho [12] indicaron que el potencial de deterioro acelerado sobre el

pavimento se debe principalmente al uso de camiones con sobrepeso, situación que según Wang [13] es la

principal causa de los agrietamientos longitudinales. Por otro lado, también se han llevado a cabo estudios

orientados a examinar los efectos del incremento de cargas máximas legales de vehículos comerciales en el

deterioro producido a las estructuras de pavimento. un incremento de entre 17 y 36% en los límites de carga

por eje de camiones repercute en un aumento en el factor camión de un 200%, lo que a su vez se vio reflejado

en este estudio particular en un incremento del número de ejes simples equivalentes de 8,2 toneladas del 75 al

136%. Finalmente, la investigación “Evaluación de factores camión de los vehículos comerciales de carga que

circulan por la red vial principal colombiana” [11], estableció que entre mayores sean los valores de factor

camión, mayores serán los efectos de pérdida de serviciabilidad, aspecto que se asocia con deterioro estructural

acelerado del pavimento.

3.1.2. Factores climáticos

Los factores climáticos tienen su importancia, ya que las propiedades de los materiales dependen

fuertemente de los valores de temperatura y humedad presentes en la sección estructural del pavimento. Por

ello es necesario conocer fundamentalmente la distribución en el medio físico en cuestión de la precipitación,

humedad, temperatura, viento, radiación solar, ciclos hielo/deshielo. A partir de esos datos, y utilizando un

modelo matemático apropiado, se puede estimar la distribución de la temperatura y la humedad dentro del

pavimento [10].

24

3.1.3. Modelos de deterioro

En pavimentos asfálticos, los principales deterioros se asocian a fenómenos de agrietamiento y

deformación permanente. El agrietamiento puede tener a su vez distintos orígenes, el más considerado es el

generado por la aplicación de cargas repetidas que induce la fatiga del material, donde la carga repetida la puede

inducir el tránsito vehicular (propagación ascendente), o los ciclos de temperatura existentes en el sitio

(propagación descendente) [10]. Ver figura.

Figura 4. Esquema de generación del agrietamiento por Fatiga.

Fuente: Garnica, Paul. Conceptos Mecanicistas en Pavimentos, Publicación Técnica No.258

Las deformaciones permanentes también se denominan ahuellamientos, se originan por la compresión y

consolidación del material ante la acción de los esfuerzos normales y cortantes, transmitidos por el flujo

vehicular. Por ello, los ensayos asociados involucran especímenes sometidos a condiciones triaxiales, o

cortantes. En la figura 5 se ilustra cómo la deformación permanente se acumula con las repeticiones de carga.

Figura 5. Acumulación de la deformación permanente.

Fuente: Garnica, Paul. Correa, Angel. Conceptos Mecanicistas en Pavimentos, Publicación Técnica No.258

La deformación permanente que observamos en la superficie de rodamiento, es la suma acumulada de la

contribución de todas las capas de la sección estructural en un pavimento. Más aún, es práctica común para

fines de diseño, que la componente principal se debe al terreno de cimentación, y que la que resulta de las otras

capas se puede controlar con una buena selección de materiales y excelentes prácticas constructivas.

Respuestas estructurales (esfuerzos, deformaciones y deflexiones) en la sección estructural de un

pavimento flexible, se considera una serie de puntos críticos a fin de calcular los valores más desfavorables. La

práctica más común consiste en fijar un punto para estimar el agrietamiento por fatiga de la mezcla asfáltica en

25

el contacto con la capa de base, y otro punto crítico para el cálculo de deformaciones permanentes situado en

la parte superior de las terracerías o terreno de cimentación.

El cálculo se realiza a través de la teoría de Burmister [14] para medios elásticos estratificados, en donde

el material se caracteriza por su módulo de elasticidad y por la relación de Poisson. Para la mezcla asfáltica, el

módulo que se debe emplear es el dinámico, y para suelos y materiales granulares, el módulo resiliente.

3.1.4. Caracterización de materiales

Las propiedades fundamentales de los materiales que usualmente son parte de la sección estructural de un

pavimento, se deben determinar a partir de ensayos de laboratorio de carga repetida.

Ensayo de modulo dinámico: Para el caso de las mezclas asfálticas, la propiedad se llama módulo

dinámico, estandarizado según la norma ASTM D3497/AASHTO TP62-03 [15]; para Colombia se

aplica la especificación INV-754-07, donde un espécimen cilíndrico se somete a pulsos repetidos de

cierto esfuerzo cíclico, en condiciones de compresión no confinada. El módulo dinámico se calcula

como el cociente entre el esfuerzo aplicado y la deformación unitaria elástica en cada ciclo de carga.

Ensayo de Módulo de Resiliencia: Para suelos y materiales granulares (materiales de base, subbase

y subrasante), la propiedad de referencia es el módulo de resiliencia, que se ejecuta de acuerdo con la

norma AASHTO T274; en Colombia está regulada por Invías con la especificación INV-E-156-13

[16]. La prueba se ejecuta por medio de un ensayo triaxial donde la presión de confinamiento es

constante, y el esfuerzo desviador se aplica cíclicamente. El módulo de resiliencia se define como el

cociente entre el esfuerzo desviador aplicado y la deformación unitaria elástica en cada ciclo de carga.

En todos los materiales es necesario la obtención del módulo de Poisson, los cuales se pueden estimar a

partir de la medición de otros parámetros más comunes como puede ser la resistencia a la compresión simple,

o el valor de CBR, sin embargo, siempre es mejor práctica la ejecución directa del ensayo, por lo general se

usan estos valores de coeficientes de Poisson como los expresados en el la Tabla 2.

MATERIAL TEMPERATURA (C) RANGO

GENERAL VALOR TÍPICO

Materiales ligados con asfalto

Concreto asfáltico

Mezclas drenantes

Mezclas en frío y estabilizaciones

0-5

5-20

20-35

<5

5-35

<5

5-35

0.15-0.20

0.20-0.30

0.30-0.40

0.30-0.40

0.35-0.40

0.20-0.35

030-0.45

0.20

0.25

0.35

0.35

0.40

0.30

0.35

Bases estabilizadas

Grava cemento

Suelos cemento Arena-cal-ceniza

Suelos cal

0.10-0.20

0.15-0.25

0.10-0.25

0.15-0.30

Materiales granulares y subrasantes

Arcilla saturada

Arcilla arenosa Limo

Arena densa

Arena de grano grueso Arena de grano fino

Roca madre

0.40-0.50 0.20-0.30

0.30-0.35

0.20-0.40

0.10-0.40

0.45 0.25

0.33

0.30 0.15

0.25

0.25

Tabla 2. Valores típicos de la relación de Poisson (µ)

Fuente: Guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación pavimentos asfálticos de carreteras – Invías

26

3.7. Diseño de la rehabilitación

La guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras del

INVIAS, acoge el uso de métodos mecanicistas para el análisis de las soluciones de rehabilitación diferentes de

la restauración. En forma adicional, considera la metodología AASHTO-93 de raíces empíricas y de uso

corriente en el país, en la cual se basan los actuales manuales de diseño de pavimentos del INVÍAS para todos

los niveles de volúmenes de tránsito [1].

En los procedimientos mecanísticos generales, la reacción de los diferentes diseños de rehabilitación bajo

una carga por rueda normalizada es analizada por algún programa analítico apropiado. La guía deja a elección

del diseñador los programas por utilizar para los retrocálculos y los cálculos de esfuerzos y deformaciones, los

cuales deberán estar respaldados por un amplio soporte teórico y práctico.

La gran ventaja de los métodos mecanísticos para el diseño de las obras de rehabilitación de un pavimento

asfáltico es la versatilidad que proveen para la evaluación de muchos materiales bajo diferentes condiciones

estructurales y ambientales. Los procedimientos mecanicistas suministran una base firme para la modelación

racional de los sistemas de pavimentos; a medida que estos modelos se vayan mejorando, se podrán esperar

mejores correlaciones entre los parámetros de diseño y el comportamiento real de las estructuras.

Para el diseño de la rehabilitación por métodos mecanicistas, se deben emplear criterios de fatiga

(fisuramiento por fatiga) y de deformación permanente. Los primeros se deben aplicar a todas las capas ligadas;

los segundos se deberían aplicar, en forma estricta, a todas las capas del pavimento. Sin embargo, muchos

métodos mecanísticos clásicos aplican criterios de deformación permanente solamente a la subrasante,

suponiendo que las demás capas no sufrirán deformaciones plásticas que contribuyan al ahuellamiento de la

estructura del pavimento, siempre y cuando esas capas estén bien compactadas, se utilicen materiales de

excelente calidad para su construcción y se efectúen adecuados diseños de mezclas para las mismas cuando

corresponda.

3.8. Análisis de las capas asfálticas y los refuerzos

El análisis más común que se hace en los métodos mecanísticos clásicos para la verificación de las capas

asfálticas es el fisuramiento por fatiga. Sin embargo, cada vez cobra más importancia el criterio de deformación

permanente.

Para el caso de refuerzos, el análisis de fatiga en las capas asfálticas se debe efectuar tanto a la capa asfáltica

de refuerzo que se coloca, como a las capas asfálticas antiguas, si éstas tienen vida residual. Las capas asfálticas

antiguas que no tengan vida residual y que hagan parte de la estructura de pavimento rehabilitada se consideran,

usualmente, como capas granulares equivalentes.

El módulo dinámico de las capas asfálticas existentes se puede determinar por retrocálculo o por cálculo

directo, teniendo en cuenta las siguientes precauciones en el momento de aplicar esos resultados al análisis

mecanístico de la rehabilitación:

Los procedimientos de retrocálculo y de cálculo directo tienen poca precisión para determinar el

módulo de capas asfálticas delgadas (por ejemplo, menores de 100 milímetros).

En pavimentos antiguos, se suelen obtener valores de módulos muy altos, debido a la rigidez que van

ganando las capas asfálticas a causa del envejecimiento del asfalto. Para el análisis mecanístico no se

deben emplear, para las capas existentes, valores de módulo mayores a los que tendría el material

nuevo.

3.9. Alternativa de diseño CR- ME

Los conceptos mecanísticos - empíricos de pavimentos son la tendencia actual a nivel mundial para el

análisis y diseño de pavimentos flexibles y rígidos. La parte mecanística de estas técnicas se encuentra en la

determinación analítica-numérica de las respuestas de los pavimentos ante solicitaciones mecánicas específicas.

27

Para el caso de los pavimentos flexibles, normalmente se emplea la solución analítica de multicapa elástica para

obtener estas respuestas, a saber: esfuerzos, deformaciones y deflexiones [17].

CR-ME es la herramienta informática de la primera guía de diseño mecanística-empírica de Costa Rica, la

cual permitirá mejorar la calidad de los diseños de estructuras de pavimentos en el país. Este software incluye

características que sólo es posible encontrar en software de diseño de pavimentos flexibles con un alto costo.

Considera las principales variables que afectan el diseño de pavimentos, tales como el clima, el tránsito y las

características de los materiales.

CR-ME es una interfaz gráfica de cálculo que se ha generado como insumo a la nueva metodología

Mecanística-Empírica de Diseño de Pavimentos que se está desarrollando en Costa Rica. Asociada a la Guía

Mecanística-Empírica de Diseño de Costa Rica, ésta es una herramienta en fase de desarrollo, la cual se está

llevando a cabo por las siguientes instituciones de dicho país: La Unidad de Materiales y Pavimentos (UMP),

el Programa de Infraestructura y Transporte (PITRA); el Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos

Estructurales de la Universidad de Costa Rica (LannameUCR).

La UMP-PITRA, ha generado una serie de herramientas de cálculo de este tipo, con el objetivo de proveer

a los ingenieros de pavimentos, alternativas que puedan representar de manera cercana, las condiciones propias

de la región, en cuanto a parámetros mecanicistas-empíricos y con ello la generación de diseños más apropiados.

Por estar a cargo de instituciones gubernamentales, el CR-ME, es una herramienta informática de acceso libre,

por lo que puede ser obtenida en sus sitios web oficiales.

3.9.1. Características del programa CR-ME

CR-ME es un programa informático de análisis de pavimentos flexibles, que permite calcular el desempeño

del pavimento a las cargas aplicadas por los vehículos, basados en la teoría de multicapa elástica y en modelos

de predicción del desempeño de pavimentos desarrollados gracias a investigación del LanammeUCR.

Para esto el ingeniero diseñador deberá colocar valores de espesores iniciales para valorar si soportan el

tránsito pronosticado para el proyecto e iterar hasta obtener el diseño óptimo.

Este software es muy sencillo de utilizar, con una interfaz muy amigable que permite fácilmente calcular

la deformación permanente en las capas de la estructura, además de calcular el daño por fatiga y el agrietamiento

en la carpeta asfáltica.

Para la estimación de los módulos resilientes de las capas que conforman la estructura, el software utiliza

modelos predictivos en función de las condiciones climáticas para variar este valor. Además de permitir al

usuario utilizar modelos que consideren la propiedad esfuerzo-dependiente de los materiales granulares.

El tránsito esperado en el proyecto se puede estimar utilizando el enfoque de ejes equivalentes de carga o

puede utilizarse espectros de carga, siendo este último una manera más específica de tomar en cuenta la variable

tránsito, la cual es una de las más importantes al realizar el diseño de la estructura.

Esta herramienta utiliza la teoría de multicapa elástica, basado en la teoría de Burmister (1943) y ampliada

por Huang (1967). El software obtiene la respuesta del pavimento en puntos de interés para el diseño y luego

utiliza estos valores obtenidos dentro de los modelos predictivos para calcular el daño que se producirá a lo

largo de la vida útil esperada del proyecto, tanto por fatiga como por deformación permanente.

La presente versión es de prueba, es decir está en fase de verificación de los resultados obtenidos por el

programa. Algunas mejoras posteriores se realizarán a la interfaz y a algunas funcionalidades.

Este software está protegido por la Ley de Derechos de Autor. El propietario tiene derecho exclusivo de

reproducirlo y desarrollarlo. El propietario de los derechos impide otras formas de compilación o ensamblaje

en alguna forma, la traducción del mismo a un lenguaje distinto. El programa no debe ser usado total o

parcialmente, en el desarrollo de un nuevo programa, para ser distribuido con un nombre distinto, excepto

28

cuando los permisos hayan sido concedidos por el propietario de los derechos de autor. Deberá reconocerse el

uso de la herramienta en cualquier publicación en la que se haga uso.

3.9.2. Interfaz Principal del CR-ME

Al iniciar el programa se desplegará la interfaz principal del programa. En la Figura 6 se muestra las

principales características del programa.

Figura 6. Interfaz Principal

Fuente: Manual del Usuario CR-ME Versión Beta

La Interfaz se compone de:

Barra de menú, se ubica en la parte superior. En la barra de menú se encuentra el menú Archivo que

contiene los submenús Guardar proyecto, Abrir proyecto y Nuevo proyecto.

Proyecto, cuenta con los siguientes datos que son opcionales: ubicación, identificación del proyecto,

identificación de la sección, fecha de construcción y descripción. Ver figura 7.

Figura 7. Datos del proyecto


Características del proyecto: en apartado, se encuentran datos generales del proyecto que serán

necesarios para estimar con los modelos más precisos el daño esperado en la estructura al estar en uso.

Estos datos son obligatorios y el software no permitirá avanzar en los módulos sin haber completado

los datos solicitados. Ver figura 8.

29

Figura 8. Datos del proyecto


3.9.3. Datos de entrada

En esta sección se debe dar clic al botón en que se quiere ingresar los datos. El software no permitirá

ingresar los datos si no han sido ingresados la información necesaria. Se mostrará en rojo las opciones que aún

no hayan sido completadas y en verde las que ya se han completado. Para acceder a la ventana de Tránsito

deben de haberse completado todas las características del proyecto. Podrá accederse al módulo Clima

únicamente luego de haber completado todos los datos necesarios para Tránsito y así sucesivamente para poder

acceder a los demás módulos. Se debe dar clic a las etiquetas o al cuadro para acceder a cada ventana. Ver

figura 9.

Figura 9. Datos de entrada.


3.9.3.1. Tránsito

El menú principal cuenta con las sub-secciones:

Archivo: el usuario podrá guardar los datos de Tránsito ingresados o Abrir los datos de Tránsito

previamente guardados en un archivo *.tra. Esto le permitirá probar diferentes datos de entrada de

tránsito.

Salir: permite al usuario salir del módulo tránsito sin guardar los datos ingresados.

Selección de nivel: se selecciona el nivel de conocimiento de la variable Tránsito, tal como se muestra

en la Figura 10 donde se selecciona alguno de los tres niveles de entrada. En el caso del Nivel 2, se

abrirá otro menú en el que se podrá elegir entre utilizar Ejes Equivalentes o Espectro de Carga. En

caso de elegir Espectro de Carga, el usuario deberá elegir entre Con o Sin Series Históricas, lo cual

abrirá ventanas distintas, este menú puede verse en la Figura 11.

30

Figura 10. Interfaz principal módulo tránsito.


Figura 11. Menú para el Nivel 2 de la variable tránsito.


Interfaz de Ejes equivalentes de carga

Aparecerá cuando el usuario elija el Nivel 3 o el Nivel 2 con la opción Ejes Equivalentes de Carga Ver

figura 12. Se deberán ingresar los siguientes datos:

- Selección entre Cálculo de ejes equivalentes de 8.2 T con o sin series históricas: al elegir uno o el

otro bloqueará algunas casillas.

Si el usuario elige la opción con series históricas, se le abrirá la siguiente opción:

- Casilla N (8.2 T): en este campo de texto el usuario deberá escribir la cantidad de ejes equivalentes

esperados a lo largo del proyecto realizado mediante un estudio previo tomando en consideración

series históricas. En los casos en que el usuario elija la opción sin series históricas, las opciones

que se le abrirán son las siguientes:

TPD inicial (TPDi): acá se introduce el tránsito promedio diario inicial del proyecto, este

dato puede ser obtenido mediante conteos por parte del diseñador de la carretera. Valores

iguales a 0 o negativos llevarán a un error en el programa.

Crecimiento vehicular: es la tasa esperada de crecimiento geométrico de la cantidad de

vehículos transitando la carretera. Este valor debe ser mayor o igual que cero.

Factor de distribución direccional (%): se debe especificar qué porcentaje del TPD

transita por el sentido del carril a diseñar, normalmente este valor es un 50% a menos

que haya un estudio que especifique los valores reales. Este debe ser un valor mayor que

0 y menor que 100, en caso contrario se tendrá un error.

Factor de distribución por carril (%): se debe especificar qué porcentaje del total de

camiones que transitarán la carretera van por el carril más crítico, este dato es importante

al diseñar una carretera con un carril de ascenso, pues en estos casos habrá una mayor

cantidad de vehículos pesados transitando por el carril de ascenso, lo cual deberá

considerarse en el diseño de este carril. Este debe ser un valor mayor que 0 y menor que

100, en caso contrario se tendrá un error.

31

Figura 12. Interfaz ejes equivalentes de carga.


Tabla de ingreso del porcentaje de cada tipo de vehículo y el factor daño promedio

estimado de cada tipo de vehículo: el usuario especificará el porcentaje del TPD que

corresponde a cada tipo de vehículo y el factor daño asociado. Es importante mencionar

que valores negativos llevarán a un error o los casos en que los porcentajes no sumen

100%.

Nivel de confianza: El software con un modelo estadístico predice los ejes equivalentes

esperados para una confiabilidad especificada por el usuario. Un valor de 50% llevará al

valor sin modificación debido al Nivel de confianza.

En ambos casos se habilitarán las siguientes opciones:

ESAL durante la construcción: en esta casilla el usuario introducirá la cantidad de ejes equivalentes

de carga que se contaron durante la construcción de la carretera. El ingeniero diseñador puede no

considerar esta variable colocando un 0.

Porcentaje atraído: representa el porcentaje de vehículos que se estima estará atrayendo el proyecto.

Porcentaje generado: representa el porcentaje de vehículos que se estima estará generado la

construcción de la carretera.

Factor de amplificación: es un factor multiplicativo que permite al ingeniero encargado del diseño

valorar el efecto que tendrá en el diseño algún error en la cuantificación de la variable Tránsito, un

valor de 1 indica el caso sin afectación.

Con el botón Cálculo de ESAL, el usuario podrá ver la cantidad de ejes equivalentes estimados para el

proyecto. Luego al dar click en el botón Guardar, el software preguntará si desea Guardar los datos en un archivo

*.tra.

3.9.3.2. Interfaz del Clima

Los materiales que componen la estructura de un pavimento, son fuertemente afectados por las condiciones

climáticas. Costa Rica, al ser un país tropical, presenta variaciones considerables de temperatura y humedad

dependiendo de la época del año.

La humedad afecta a los materiales granulares que conforman la base, subbase y subrasante, mientras que

la temperatura tiene un efecto principalmente sobre la carpeta asfáltica, la cual está conformada por un material

viscoelástico, lo cual hace que su resistencia esté ligada a la temperatura.

32

Para afectar el módulo resiliente de las capas no ligadas, se utiliza el índice de humedad de Thornwaite

(TMI por sus siglas en inglés), el cual el usuario puede calcular ya sea utilizando algún modelo basado en la

temperatura y la precipitación o un modelo que considere más variables climáticas (humedad relativa, velocidad

del viento y brillo solar). Ver figura 13.

Figura 13. Interfaz ejes equivalentes de carga.


3.9.3.3. Interfaz de los materiales

En función de la importancia del proyecto, la cual será definida por el usuario según la cantidad de ejes

equivalentes esperados. Sin embargo, el programa permitirá al ingeniero combinar niveles de conocimiento de

los materiales.

En la Figura 14 se muestra la selección de la cantidad de capas. Se puede elegir un máximo

de 10 capas por efectos prácticos. El software da la opción de seleccionar 3 capas asfálticas.

Figura 14. Selección de la cantidad de capas.


Ingreso de datos de la carpeta asfáltica: en la ventana que se muestra en la Figura 15, se ingresan los

datos de la mezcla asfáltica. Se dispone de tres niveles de ingreso de los datos.

33

Figura 15. Ingreso de las propiedades de la mezcla asfáltica en Nivel 3.


El nivel 3 es el nivel en que el usuario cuenta con menor conocimiento de los datos de la mezcla asfáltica,

utilizando correlaciones con la granulometría de la mezcla y el volumen efectivo de asfalto y el porcentaje de

vacíos, expresados como porcentaje. Las propiedades de la ventana se describen a continuación:

- Se ingresa el espesor en centímetros que será evaluado en el proyecto para posteriormente verificar

si cumple con las especificaciones establecidas, también se ingresa la razón de Poisson.

- Se elige cuál método se desea utilizar para la elaboración de la curva maestra y el cálculo del

módulo dinámico para cada temperatura mensual. Se dispone de tres modelos, el modelo de

Witczak, la calibración nacional Witczak-Lanamme, la cual considera los ligantes asfálticos

presentes en el país y el modelo ANN-Lanamme, el cual utiliza una red neural con datos de

ensayos realizados en el Lanamme.

- Se debe ingresar la gradación del agregado de la mezcla, escribiendo los porcentajes acumulados

retenidos en la malla 3/4, 3/8 y #4, además del porcentaje pasando la malla #200.

- Se ingresa el porcentaje de vacíos de aire y de contenido efectivo de asfalto, los cuales son

utilizados en los modelos de predicción del módulo dinámico.

Ingreso de datos del ligante: en la Figura 16 se muestra la ventana del nivel 3 de ingreso de datos del

ligante asfáltico.

Figura 16. Nivel 3 de datos del ligante.


34

El usuario eligirá una manera de establecer el valor de A y VTS ya sea con el grado Superpave del ligante,

el grado convencional AC o el grado de penetración convencional. En cada uno de los casos se le desplegará

una lista de selección con la cual se accede a los valores especificados para cada tipo de ligante. El usuario

deberá conocer la propiedad de su ligante para poder seleccionar el valor más adecuado.

Curva Maestra:

La curva maestra representa los módulos dinámicos en un rango de frecuencias reducidas. La frecuencia

reducida toma en cuenta la frecuencia y la temperatura. Los valores más bajos de la curva maestra representan

las temperaturas mayores y las frecuencias menores, es decir las peores condiciones para el pavimento; mientras

que los valores mayores representan las temperaturas menores y las frecuencias mayores. Es importante

considerar que los valores altos de módulo dinámico pueden producir fatiga, esto se ve reflejado en el diseño

final, por lo tanto, el diseñador debe saber que no siempre un módulo alto representa una mejor condición.

La ventana que se muestra en la Figura 17, se muestra una curva maestra a la temperatura de referencia. La

ventana permite guardar, dando clic al botón Guardar, para continuar caracterizando las demás capas; también

permite al usuario guardar la imagen de la curva maestra en formato *.jpg dando clic al botón Guardar imagen.

También la aplicación permite que el usuario sepa el valor del módulo dinámico en psi y de la frecuencia

reducida en Hz, pasando el puntero por el gráfico.

Figura 17. Curva maestra.


Base y subbase

Para la caracterización de la base, el usuario contará con varias opciones, puede colocar el caso en que se

utiliza la base estabilizada con cemento o ligante o puede caracterizar su capa como una base granular. En el

caso de la subbase el usuario podrá diseñarla como una granular con tres niveles distintos de conocimiento.

En las bases granulares, subbases y subrasantes, hay ciertos datos que deberán ser ingresados en todos los

casos, los cuales describimos a continuación:

- Espesor: El usuario debe colocar un valor de espesor en centímetros. Este dato debe ser

incluido en todas las opciones, incluyendo si se selecciona una base estabilizada con cemento

o con ligante.

35

- Razón de Poisson: La razón de Poisson es un valor entre 0 y 0.5 el cual representa la relación

entre la deformación unitaria horizontal y vertical. Este valor debe ser incluido en todas las

opciones al igual que el espesor.

- P200: Representa el porcentaje pasando la malla #200.

- Índice de plasticidad: Representa la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico

del suelo.

- Gravedad específica: representa la razón entre la densidad del material y la del agua.

- Densidad seca máxima: al realizar el ensayo Proctor es la densidad máxima obtenida

a la humedad óptima. El valor deberá ser ingresado en kg/m3.

- Humedad óptima: es la humedad obtenida con la densidad máxima en el ensayo Proctor. El

valor debe ser ingresado como porcentaje.

En todos los casos, el botón Guardar permite al usuario salir de la ventana guardando los datos.

Base y subbase granular nivel 3

En la ventana de ingreso de datos del nivel 3 para bases, subbases y subrasante, el usuario deberá digitar

ya sea el valor de CBR óptimo o el módulo resiliente en condiciones óptimas de la capa.

- CBR óptimo: Si se selecciona ingresar este dato. El software automáticamente estimará el

valor del módulo resiliente con la fórmula 𝑀𝑟 = 2555 ∙ 𝐶𝐵𝑅0.64. El valor debe ser ingresado

como un porcentaje. El ensayo de CBR (California Bearing Ratio), constituye la resistencia

del material con respecto a una muestra patrón.

- Módulo resiliente: El usuario deberá ingresar el valor del módulo resiliente óptimo

estimado. Al ser los materiales granulares esfuerzo-dependiente, este valor debe ser

calculado para la presión producida por una carga de 20 KN, tal como la carga de un

eje equivalente de carga.

Figura 18. Ventana de ingreso Nivel 3 base granular.


36

Subrasante

Para la subrasante, los datos de entrada son los mismos descritos para bases y subbases granulares. La única

diferencia está en que el usuario deberá ingresar el valor de la profundidad hasta la roca, en lugar del valor del

espesor de la capa.

En la Figura 19, se logra apreciar las tres ventanas que obtendrá el usuario al caracterizar la subrasante,

con los mismos datos de entrada descritos anteriormente en cada uno de los niveles de conocimiento de la

variable.

Figura 19. Datos de ingreso de subrasante Niveles 1, 2 y 3.


3.9.3.4. Modelos de predicción del daño y la deformación permanente

Los modelos incorporados automáticamente son los incorporados en la MEPDG. Sin embargo, el software

permite al usuario que introduzca modelos calibrados propios de los materiales de cada país.

El LanammeUCR, gracias a la investigación realizada con el Heavy Vehicle Simulator (HVS), el cual es

un programa de ensayo acelerado de pavimentos, ha logrado obtener ecuaciones de predicción del daño por

fatiga considerando la disminución del módulo resiliente en las capas no ligadas y el módulo dinámico de la

carpeta asfáltica. Para este propósito, el ensayo con el HVS consiste en ejercer una gran cantidad de pasadas de

una carga sobre un pavimento para estimar el efecto a corto plazo de las cargas sobre una estructura determinada

de pavimento y así simular el efecto de las cargas en la carretera.

Para esto el LanammeUCR utiliza equipo de alta tecnología como el Falling Weight Deflectomer (FWD)

el cual es un aparato de determinación del módulo resiliente de manera no destructiva, aplicando una carga al

pavimento y midiendo las deflexiones para así estimar mediante una metodología llamada retrocálculo de

módulos. La deformación permanente es medida por medio de sensores para cada una de las capas de la

estructura del pavimento a lo largo del experimento acelerado.

37

Estos modelos permiten predecir el daño por fatiga tanto de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba

producido en la carpeta asfáltica y el ahuellamiento producido en cada capa. En todos los modelos que se verán

a continuación, si el usuario elige la opción de utilizar los modelos de MEPDG, el sistema automáticamente

colocará los valores predeterminados por los modelos de esta guía y si escoge la opción Modelos definidos por

el usuario, el sistema le permitirá colocar los factores calibrados.

Al dar click al botón de Modelos, se desplegará una ventana como la mostrada en la Figura 29, en la cual

el diseñador deberá ingresar los valores límite para cada uno de los deterioros que predice el software. Estos

datos servirán al usuario para tomar una decisión respecto de si el diseño es adecuado o no.

Figura 20. Criterios de aceptación.


En la Figura 21, se muestra el modelo utilizado para predecir la cantidad de repeticiones de carga permitidas

por fatiga de abajo hacia arriba. En este caso, se seleccionó la opción en que el usuario coloca los factores

propios.

Figura 21. Modelos de estimación de repeticiones permitidas por fatiga de abajo hacia arriba.


Para el modelo de arriba hacia abajo, la guía MEPDG recomienda utilizar un modelo similar al de la fatiga

de abajo hacia arriba, por falta de estudios relacionados con este tipo de deterioro. En la Figura 22, se muestra

el caso en que el usuario seleccionó los modelos predeterminados por la guía MEPDG.

Para el ahuellamiento en la carpeta asfáltica, se propone un modelo en función de la temperatura de la

carpeta asfáltica, la cantidad de repeticiones de carga, la deformación unitaria vertical en la mitad de la capa y

el espesor de la capa. La guía MEPDG propone los modelos que se aprecian en la Figura 23.

38

Figura 22. Modelos de estimación de repeticiones permitidas por fatiga de arriba hacia abajo.


Figura 23. Modelo de Ahuellamiento.


Las funciones de transferencia, son modelos de tipo sigmoidal que permiten predecir un deterioro

específico a partir del daño, calculado con la ley de Miner. Se utiliza una función sigmoidal debido a que permite

colocar dos asíntotas.

Los deterioros predichos son el área agrietada, la cual se muestra en el pavimento como agrietamiento piel

de lagarto y el agrietamiento longitudinal. El área agrietada se relaciona con el daño por fatiga de abajo hacia

arriba y el agrietamiento longitudinal se relaciona con el daño por fatiga de arriba hacia abajo.

Los factores recomendados por la guía MEPDG son los mostrados en la Figura 24, 𝐶1 = 1, 𝐶2 = 1 y 𝐶3 =

6000 para el área agrietada, mientras que para el agrietamiento longitudinal los factores son: 𝐶1 = 7, 𝐶2 = 3.5

y 𝐶3 = 1000.

Para tomar en cuenta el ahuellamiento en la base y en la subbase, la guía MEPDG recomienda factores de

calibración. Estos factores pueden ser modificados por el usuario seleccionando la opción de Modelos definidos

por el usuario. El usuario tendrá la posibilidad de seleccionar factores calibrados para materiales granulares o

para granulares finos. Ver figura 25.

Los modelos de deformación permanente de la subrasante, son similares a los modelos definidos para la

base y la subbase, la única diferencia es que estos deben considerar que la subrasante es una capa infinita.

Nuevamente, el usuario puede ingresar sus propios valores. Ver figura 26.

39

Figura 24. Funciones de transferencia.


Figura 25. Ahuellamiento en la base.


Figura 26. Ahuellamiento en la subrasante.


El usuario deberá seleccionar o escribir los valores de cada uno de los tabs de los modelos de la carpeta

asfáltica y los módulos de ingreso de las otras capas para poder luego acceder al botón de Diseño, el cual realiza

todos los cálculos para el análisis de la estructura de pavimento con todos los datos incorporados por el usuario

y verificar la aprobación de la estructura, tal como se verá en la siguiente sección.

40

3.9.4. Resultados arrojados por del software: Módulos

El software envía los módulos resilientes mensuales promedio para todo el período de diseño, para cada

una de las capas que componen la estructura de pavimento, en el caso de que el usuario haya elegido utilizar

ejes equivalentes para caracterizar el tráfico, tal como se muestra en la Figura 27.

Los módulos resilientes de las capas no ligadas son afectados por las condiciones climáticas presentes en

cada mes, las cuales dependen de la temperatura promedio de cada mes y el índice de humedad de Thornwaite.

Algunas capas, debido a sus propiedades físicas, se verán más o menos afectadas por los cambios climáticos.

Por ejemplo, una base estabilizada con cemento no presentará modificación por las condiciones climáticas.

Por otra parte, los módulos dinámicos mensuales de la carpeta asfáltica, son afectados por la temperatura

promedio mensual de la carpeta asfáltica. Estos módulos dinámicos son obtenidos por el programa utilizando

la curva maestra del material.

Figura 27. Módulos resilientes mensuales para las capas no ligadas y módulo dinámico mensual de la carpeta asfáltica.


Los modelos de deterioro por fatiga, se basan en la ley de Miner para estimar el daño producido por el paso

de los vehículos a la estructura. El software enviará al usuario el valor de daño por fatiga tanto de arriba hacia

abajo, como de abajo hacia arriba.

Basado en los valores de daño obtenidos, se utilizan las funciones de transferencia ingresadas por el usuario

para estimar el agrietamiento longitudinal medido en pies por pulgada cuadra y el porcentaje de área agrietada.

El primer deterioro se relaciona con el daño por fatiga de arriba hacia abajo, mientras que el área agrietada o

agrietamiento por piel de cocodrilo, se relaciona con la fatiga de abajo hacia arriba.

El software suma el daño de la carpeta asfáltica para cada mes del período de diseño para cada carga y cada

tipo de eje en la opción para espectro de carga, mientras que, para ejes equivalentes de carga, el programa suma

el daño para cada mes del periodo de diseño. La ventana permite al usuario guardar las imágenes con el daño,

el área agrietada y el agrietamiento longitudinal en cada mes del período de diseño en formato *.jpg, además

de permitir al usuario visualizar con el puntero cuál es el valor determinado para cada deterioro en cada mes de

diseño, tal como se indica en la Figura 28.

41

Figura 28. Daño por fatiga, área agrietada y agrietamiento longitudinal.


Para el ahuellamiento, el software utiliza los modelos colocados por el usuario para la determinación de la

deformación permanente en cada una de las capas. El programa utiliza el enfoque de endurecimiento por fatiga.

La curva mostrada en la Figura 29, muestra el valor en cada uno de los meses del período de diseño. También

se muestra el valor al final del período. El usuario podrá guardar la imagen en extensión *.jpg al dar clic en

Guardar Imagen, además podrá ver el valor de ahuellamiento en cada mes moviendo el cursor por la imagen.

Figura 29. Ahuellamiento en cada capa.


3.10. Marco Legal o Normativo

Para esta investigación los valores obtenidos en los ensayos de laboratorio deben estar en el rango de

mínimos y máximos establecidos por las especificaciones del Instituto Nacional de Vías - INVIAS actualizadas

al año 2013, entidad que en Colombia regula las especificaciones técnicas en la construcción de vías. En la

Tabla 3 se listan los ensayos realizados al tramo de estudio, los cuales fueron realizados por el Laboratorio

INGELABS Ltda., y fueron facilitados como información académica para este proyecto, por el Ing. Mauricio

Moreno de Ecopetrol.

42

Para el estudio de tránsito, se aplicó la metodología del “Manual de Diseño de Pavimentos Asfálticos en

vías con Medios y Altos volúmenes de tránsito” del Instituto Nacional de vías – Invías del año 1998.

Para establecer el procedimiento del estudio de rehabilitación se empleó la “Guía metodológica para el

diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras” del INVÍAS del año 2008.

Para la obtención del sistema de rehabilitación que requiere el pavimento de estudio y la determinación de

la sobrecarpeta, se empleó el software CR-ME del Programa de Infraestructura del Transporte de la Universidad

de Costa Rica, Versión Beta del año 2016; el cual se aplica como metodología académica.

ENSAYOS NORMAS

INVÍAS 2013

Equivalente de arena de suelos y agregados finos INV-E-133-13

Determinación del contenido orgánico en suelos mediante pérdida

por ignición INV E-121-13

Determinación en laboratorio del contenido de agua (humedad) de

suelo, roca y mezclas de suelo-agregado INV E-122-13

Análisis granulométrico de suelos por tamizado INV E-123-13

Determinación del límite líquido de los suelos INV-E-125-13

Determinación del límite líquido e índice de plasticidad INV-E-126-13

Determinación de la gravedad específica de los suelos y del

llenante mineral INV-E-128-13

Relaciones de humedad-masa unitaria seca en los suelos

Ensayo modificado de compactación) INV-E-142-13

Relación de soporte del suelo en el laboratorio (CBR de laboratorio) INV-E-148-13

Compresión inconfinada en muestras de suelos INV-E-152-13

Índice de aplanamiento y de alargamiento de los agregados para

carreteras INV-E-230-13

Resistencia al desgaste de los agregados de tamaños menores de

37.5mm (1½”) por medio de la máquina de Los Ángeles INV-E-218-13

Extracción cuantitativa de asfalto en mezclas para pavimentos INV-E-732-13

Gravedad específica bulk y densidad de mezclas asfálticas

compactadas no absorbentes empleando especímenes saturados y con

superficie seca

INV-E-733-13

Resistencia de mezclas asfálticas en caliente empleando el aparato

Marshall INV-E-748-13

Tabla 3. Normas INVIAS aplicadas en el estudio de geotecnia y pavimentos.

Fuente: propia.

43

4. ESTADO DEL ARTE

Para la elaboración del estado del arte se realizaron investigaciones de diferentes documentos y fuentes,

desde tesis de doctorados, maestrías y especializaciones que tuvieron como referencia de búsqueda proyectos

de rehabilitación en pavimentos flexibles con aplicación de métodos mecanicistas, y como temas puntuales se

encontraron en revistas de ingeniería investigaciones sobre el transporte de carga extrapesada a nivel

latinoamérica y en Colombia.

En Costa Rica, desarrollaron un software bajo la metodología de diseño empírico-mecanicista para

pavimentos flexibles. El desarrollo de este software se basó en cuatro etapas: una fase teórica y de consultas,

en la cual se revisó la metodología del tránsito por espectros de carga, el factor clima y cálculos de pavimentos;

una segunda fase donde se revisó el tema de la interfaz gráfica, introducción de módulos, hojas de cálculo de

respuesta al diseño del pavimento, módulo de materiales, etc.; la tercera fase correspondiente al análisis del

trabajo, resultados y conclusiones; y la cuarta y última fase la elaboración del informe técnico [18]. Por medio

de este software, los investigadores realizan la introducción y pruebas de las teorías y formulaciones basadas

en la teoría multicapa elástica, haciéndolo más eficiente en uso y recursos. Además, se emplea el modelo de

cálculo de respuesta del espesor equivalente o método de Odermark-Boussinesq, el cual permite calcular el

pavimento con respuestas a las deformaciones verticales para los materiales granulares y capas asfálticas.

Igualmente, para el nivel 3, el programa trabaja bajo la metodología MET, permitiendo obtener respuestas del

diseño de pavimentos más rápido, sin cambiar el módulo dinámico de la carpeta asfáltica debido a la

temperatura con ayuda de la curva maestra. Por lo tanto, a grandes términos el software permite desarrollar

ecuaciones de transferencia para el cálculo de repeticiones de cargas admitidas hasta que se dé la falla por

deterioro por fatiga, ya sea de arriba hacia abajo o de abajo hacia arriba; y permite considerar un gran número

de factores que puedan afectar el desempeño del pavimento a lo largo de la vida útil [18].

La Universidad del Salvador, también desarrolló un estudio comparativo para el diseño de pavimentos

flexibles mediante las alternativas IMT-PAVE, CR-ME y el método AASHTO 93, de tal manera que se

pudieran obtener sus fortalezas y debilidades de acuerdo a los requerimientos de la estructura del pavimento

[19]. Realiza una descripción detallada de cada uno de los métodos de diseño y de los programas IMT-PAVE

y CR-ME, especificando las características de la metodología mecanicista. El análisis del tránsito fue realizado

por espectros de carga para cada uno de los tipos de camiones normalizados en El Salvador; cada una de las

metodologías considera parámetros mínimos de entrada para el clima, confiabilidad, cálculo del módulo

resiliente mediante correlaciones del CBR, análisis de geotecnia, etc., llevando los datos en el paso a paso de

los programas. El documento finalmente recomienda la implementación de más pesajes para el tránsito, toda

vez que se permita hacer una identificación más detallada identificando la asociación entre la carga y los daños

en el pavimento. Así mismo las metodologías en el Salvador no introducen el factor del clima como un factor

relevante a tener en cuenta, esto relacionado con la deformación permanente que se indica como el factor más

relevante de las leyes de fatiga al final de los programas de cálculo.

Cuba, presentó un estudio del análisis comparativo de métodos de diseño de pavimento flexibles a partir

de modelaciones matemáticas; tiene como base de la metodología empírico mecanicista de la guía AASHTO

2004 [20], y determinar las tensiones y deformaciones bajo una carga estándar. Basa su aplicación de la

metodología de a Guía AASHTO 2004, realizando una verificación de los materiales de los pavimentos

existentes del estudio, factores climáticos como temperatura y humedad, identificación de las fallas más

comunes en los pavimentos en Cuba, desde las deformaciones hasta las leyes de fatiga que afectan las capas

bituminosas. El estudio tiene en cuenta las metodologías de diseño aplicadas en Cuba como son los métodos

mecanicistas de la AASHTO 93, MOPT de Colombia (1970-1976), el Road Note de Gran Bretaña, Método

Shell, hasta la aplicación de los métodos empíricos - mecanicistas AASHTO 2004, MOPT (1989-1998),

Instituto del asfalto, método Francés LCPC, hasta la descripción de la Norma Cubana que es un método

netamente empírico. El estudio determina que las deformaciones de los materiales en el modelo 3D son

inferiores al de 2D; se demuestra la posibilidad de obtener a través de la modelación las deformaciones por

tracción en la fibra inferior de la mezcla asfáltica, lo que permite con posterioridad evaluar el agrietamiento por

fatiga de la misma; pero el estudio también concluye que los resultados de investigaciones de este tipo, deben

de aplicarse con cautela, ya que los modelos originales de la guía AASHTO son obtenidos para los materiales

y las condiciones de diseño de otro país.

44

En latinoamérica se vienen desarrollando comparación de diseños de pavimentos flexibles nuevos según

el método de diseño AASHTO 93; Chile trabaja en la Guía de Diseño de Pavimentos Empírico-Mecanística

NCHRP 1-37A [21].; para el estudio mplearon los programas del método de diseño AASHTO 93, el programa

PAVIVIAL y el software Design Guide, Pavement Analysis & Design System (versión preliminar). El proyecto

define como criterios de desempeño: deformación permanente para todas las capas (asfáltica, granulares y

subrasante); agrietamiento por fatiga de arriba hacia abajo en la mezcla asfáltica; agrietamiento por fatiga de

abajo hacia arriba en la mezcla asfáltica; agrietamiento térmico de la mezcla asfáltica y Regularidad (IRI) del

pavimento. Como información de entrada tiene: tránsito con la información del volumen de tránsito para el año

base, factores de ajuste del volumen de tránsito, etc.; el clima se incorpora en la guía mediante perfiles de

humedad y temperatura, por lo que se debe especificar exactamente el sitio donde se desarrolle el proyecto.

Para los materiales se emplearon una serie de 6 ligantes asfálticos, de tal manera que el software realice una

predicción del envejecimiento del material, y determinar las curvas maestras del material. La guía se basa en

principios empírico-mecanicistas y la teoría elástica, requiriendo conocer el Módulo Dinámico E* de mezclas

de asfalto en caliente con el fin de calcular los esfuerzos y deformaciones de los pavimentos en cada incremento

de tiempo. Del estudio se determinó que los programas no presentan mucha variación en los espesores de los

pavimentos; pero entre el programa de AASHTO 93 y PAVIVIAL, éstos no predicen el comportamiento en

cuanto a los deterioros contrastando con las predicciones obtenidas mediante la guía norteamericana. Es

importante recalcar que los programas no han sido calibrados para la realidad nacional de Chile, afectando los

resultados. Se observó que un solo asfalto cumplió todos los criterios de desempeño de la guía MEPDG,

permitiendo escoger de manera fundamentada un asfalto por sobre otro, dado su mejor comportamiento

predicho para la vida de diseño escogida.

En Colombia, los acuerdos comerciales que ha realizado el país, han potencializado el transporte de carga

por el territorio nacional, lo que trae como consecuencia un incremento en la magnitud y frecuencia de las

cargas transmitidas por los vehículos comerciales de carga a las estructuras de pavimento, lo que puede

traducirse en un deterioro acelerado de tales estructuras [11]. Para un estudio del cálculo de los factores camión,

se empleó una base de datos suministrada por el Instituto Nacional de Vías (INVIAS) obtenida a partir de 38

operativos móviles de pesaje de ejes vehiculares en carretera ejecutados en el año 2011. Los vehículos evaluados

en cada punto de pesaje, se determinó el factor camión (FC) a través de la sumatoria de los factores de

equivalencia de carga (FEC) de sus respectivos ejes, y se empleó como carga de referencia la distribución por

eje del Invías. Los resultados obtenidos a nivel nacional, del total de la muestra analizada el 99% corresponde

a los vehículos tipo: C3-S3, C2G, C3-S2, C3 y C2-S2, siendo predominantes los C3-S3 y los C2 con un 36% y

35%. El estudio permite agrupar los datos encontrados por FC de las vías más representativas por

departamentos, FC con altas sobrecargas; los valores calculados en el estudio determinan nuevos porcentajes

de cada tipo de camión por cada departamento, alcanzando una confiabilidad del 95%. El parque automotor de

vehículos comerciales de carga en Colombia está compuesto principalmente por camiones tipo C3-S3, C2, C3-

S2, C3 y C2-S2 con una distribución del 36%, 35%, 13%, 11% y 5% respectivamente. Los factores camión

promedio obtenidos para los vehículos tipo C2, C3 y C2-S2, presentan magnitudes mayores que las registradas

en estudios realizados por el INVIAS en 2003 para el diseño de pavimentos a nivel nacional. Los resultados

obtenidos, sugieren además que no es recomendable trabajar con factores camión a nivel nacional para el diseño

de pavimentos, puede generar desfases en los diseños realizados. El estudio recomienda la ejecución de un

número mayor de operativos de pesaje móvil de vehículos comerciales de carga por departamento en todo el

país y la ejecución de un análisis detallado que permita la determinación de factores camión por departamento

o región del país.

45

5. METODOLOGÍA DEL TRABAJO

Para el desarrollo del estudio, se realizaron las siguientes fases de trabajo:

Recopilación de la información primaria y secundaria, referente a la vía de acceso al Pozo Trogon

denominada Trocha 12, del municipio de Guamal, Meta: la documentación se buscó con el dueño del

proyecto, que para el caso es Ecopetrol, recolectando soportes de geotecnia, información del tipo de

taladro a movilizar, tránsito de la zona por aforos que realizó una empresa externa, estudios anteriores

del pavimento instalado, etc.

Revisión y organización de la información recolectada: fue necesario organizar la documentación de

geotecnia y ensayos de laboratorio de acuerdo a su trazabilidad y por fechas, ya que hay información

del año 2018 y 2019. El laboratorio INGELABS Ltda., fue contratado por Ecopetrol y por sus

contratistas externos.

Cálculo del tránsito y cálculo del número de ejes equivalentes siguiendo el “Manual de Diseño de

Pavimentos Asfálticos en vías con Medios y Altos volúmenes de tránsito” del Invías; el tránsito se

tomó a partir del resultado de los aforos, se proyectó de acuerdo al período de diseño, teniendo en

cuenta el tránsito durante construcción de los pozos, de las ingresos y salidas de las movilizaciones

para cada periodo, del tránsito atraído y generado, hasta obtener un tránsito promedio diario y el

cálculo de ejes equivalentes. Sin embargo, el programa CR-ME hace el cálculo de los ejes

equivalentes.

Cálculo del clima: teniendo en cuenta el programa de CR-ME, se investiga y obtienen los datos de

temperatura para la zona del proyecto, y se calcula índice de Thorthwaite que es requisito del factor

clima.

Análisis de geotecnia y pavimento: se extrajo la información de los ensayos de laboratorio y se

organizaron por capas de acuerdo a la estructura de la vía, obteniendo así las unidades homogéneas de

diseño.

Aplicación del programa CR-ME Versión Beta para corroborar módulos, ahuellamientos y daño actual

de la vía: se comenzó la corrida del programa tal como lo indica el manual, introduciendo los datos

del tránsito, clima, materiales, y luego la obtención de los resultados.

Iteración del programa CR-ME para encontrar el espesor de sobrecarpeta que cumpliera con el daño

por fatiga y ahuellamiento para los dos años de periodo de diseño determinado.

Análisis de resultados: se realiza la comparación respectiva de la condición inicial con la final que

satisfaga las leyes de fatiga y ahuellamiento.

Conclusiones y recomendaciones: se determina si se alcanzaron los objetivos planteados, las acciones

de mejora y la aplicabilidad del programa a Colombia.

En la Figura 30 se esquematiza el flujograma del trabajo empleado para el desarrollo del presente estudio

investigativo, práctico y académico.

5.1. Herramientas utilizadas

Como herramientas informáticas que se emplearon en el desarrollo del presente trabajo se relacionan las

siguientes: Microsoft Excel, Microsoft Word, Programa CR-ME Versión Beta de la Universidad de Costa Rica,

además del servicio web de páginas interactivas.

46

Figura 30. Flujograma de trabajo para el presente estudio. Fuente propia.

47

6. PAVIMENTO VÍA DE ACCESO AL POZO TROGON – TROCHA 12

6.1. Localización general

La vía de acceso al pozo Trogon 1 (también denominada Trocha 12) corresponde a una vía terciaria de 2.67

km de longitud y se encuentra dentro de la jurisdicción de las veredas Brisas de Orotoy y Pio XII (Municipio

de Guamal).

Se accede desde Acacias (Meta) hacia el sur del departamento rumbo al municipio de Guamal por medio

de la Ruta Nacional 65; 4 km antes de llegar a la cabecera municipal se encuentra la vía al pozo Trogon 1 en

dirección sur occidental.

Figura 31. Localización del tramo de vía Trocha 12 acceso al Pozo Trogon.

Fuente Datos de Mapa ©2016, Google Earth.

6.2. Condiciones ambientales

Las condiciones ambientales de la zona de estudio se presentan a continuación en la Tabla 4.

DESCRIPCIÓN MEDIDA

Temperatura ambiente

Máxima 31.10 °C

Media 25.08 °C

Mínima 20.10 °C

Altura sobre el nivel del mar 525 msnm

Velocidad del viento 120 km/h

Precipitación pluviométrica media anual 4875.8 mm

Coeficiente sísmico de diseño Aa 0.35

Zona de riesgo sísmico Alta Tabla 4. Condiciones ambientales, Guamal-Meta

Fuente: Estación 3501002 ACACÍAS-IDEAM, NSR-10

48

6.3. Estudios de Geotecnia

Durante los años 2018 y 2019, Ecopetrol realizó exploraciones de tipo manual y apiques para conocer las

condiciones del suelo y la estructura existente de la vía, a los cuales se les realizaron ensayos de laboratorio; las

actividades desarrolladas en el estudio comprenden la revisión de los ensayos y resultados de los laboratorios y

análisis de los mismos.

Con los ensayos se identificaron cuatro capas de material en la estructura del pavimento resumidas así:

Carpeta asfáltica: corresponde a una capa de rodadura tipo Mezcla Densa en Caliente ó MDC-19 [22] del

INVIAS, con un módulo dinámico de la mezcla asfáltica calculado de 2500 MPa. Es una mezcla densa en

caliente de espesor de 5 cm del K0+000 al K1+100, el resto de la vía presenta espesor de 4 cm.

Subbase granular: Material granular de espesor variable a lo largo de la vía entre 20 y 30 cm, cumpliendo

la gradación INVIAS corresponde a una subbase granular tipo SBG-38 [23] y SBG-50. La capacidad de

soporte de la subbase definida por el valor de CBR, es mayor a 60% en condición sumergida.

Mejoramiento: Mejoramiento con crudo de río con un espesor variable entre 20 y 60 cm, y no se encuentra

dentro de las franjas granulométricas definidas por el INVIAS; posee un alto contenido de gravas y una

humedad natural baja a media entre 4 y 16% y un CBR típico de 16.

Subrasante: Predominan arcillas arenosas de baja plasticidad, en algunos tramos la subrasante está

compuesta por arenas arcillosas (CBR entre 1 a 5), o, gravas arcillosas (CBR 10 a 16).

El área del proyecto sin embargo se trata de una zona estable, caracterizada por presentar un relieve plano,

con pendientes inferiores al 2%.

6.4. Aspectos preliminares del proyecto

El proyecto y objetivo principal por parte de Ecopetrol es la de revisar si la estructura existente del

pavimento, tiene la capacidad de soportar el tránsito para la construcción de pozos en la plataforma existente

de Trogon, con la realización de la perforación de estos dos pozos en dos años 2020 y 2021.

Igualmente plantear una solución de tipo rehabilitación al pavimento existente, que permita garantizar el

ingreso y salida de los equipos de perforación y de completamiento.

Es importante mencionar que Ecopetrol ha realizado sus propios estudios y diseños enfocados en encontrar

el cumplimiento de las premisas mencionadas; se aclara que para el estudio en desarrollo y que se presenta en

este documento, se realiza de manera académica y no tiene influencia de los demás estudios o resultados, ni

será entregado a Ecopetrol. Las fuentes de autores de los otros estudios se documentarán a medida del desarrollo

de la tesis de grado.

6.5. Documentación de la Interfaz Principal del CR-ME

Se procede a introducir la información base del proyecto, tal como lo indica el Manual del Usuario de la

Herramienta CR-ME Versión Beta; en la figura 32. Los datos de entrada aparecen en rojo porque no se han

consignado, y se realizaran en cada fase de este estudio.

Los datos del proyecto es la información resumida del nombre del estudio, localización, tramo (K0+000-

K2+670), etc.

Las características del proyecto corresponden a las condiciones de diseño real de la vía:

- Velocidad de operación: 30 Km/h (en proyectos para Ecopetrol, es la velocidad recomendadas

para cargas pesadas).

- Ancho de carril: 3.80 m

- Periodo de diseño: 2 años

- Considera el efecto de zigzagueo lateral: No

49

Figura 32. Interfaz Principal del CR-ME proyecto vía Trogon


50

7. ESTIMACIÓN Y CÁLCULOS DEL TRÁNSITO PARA EL PERÍODO DE

DISEÑO

Para el cálculo del tránsito de diseño, se sigue la metodología del “Manual de Diseño de Pavimentos

Asfálticos en vías con Medios y Altos volúmenes de tránsito” [24]del Invías, en el cual se establece que dentro

del procesamiento de los datos se deben distinguir los siguientes aspectos:

Tránsito promedio diario.

Clasificación de vehículos.

Factores de equivalencia de carga para cada tipo de vehículo.

Distribución direccional.

Distribución por carril

Proyección de las variables en la vida de diseño.

Teniendo en cuenta que la vía correspondiente al proyecto, es un acceso a predios inter-veredal y, que

proporciona ingreso al pozo Trogon 1, no existen datos históricos en el INVIAS, únicamente se encontraron

datos de la vía ACACIAS-GUAMAL ruta 65, sobre la cual se desprende dicha vía.

A continuación, se observan los datos históricos de la vía ACACIAS-GUAMAL contenidos en la Tabla 5:

Tabla 5. Serie histórica y composición del tránsito promedio diario vía ACACIAS-GUAMAL

Fuente. Instituto Nacional de vías – INVIAS, 2019.

7.1. Componentes del tránsito

Para cuantificar adecuadamente los volúmenes de tránsito en un proyecto vial, la variable se divide en tres

componentes:

Tránsito normal: Es el que se produce en la zona de influencia del proyecto como consecuencia de la

evolución previsible de sus parámetros característicos y coincide; por tanto, con el que circula por la red

actual sino se realizara el proyecto. Esta componente se determinó a través del análisis de los conteos

vehiculares contratados por Ecopetrol a la firma consultora Serinteg, y los resultados se consignan en la

Tabla 6.

DIA AUTOS BUS C2P C2G C3 C4 C5 >C5

LUNES 249 4 34 13 3 0 0 0

MARTES 212 4 20 12 1 0 0 0

MIÉRCOLES 237 4 19 14 4 0 0 0

JUEVES 198 3 25 17 5 0 0 0

VIERNES 208 4 17 22 5 0 0 0

SÁBADO 209 1 28 16 0 0 0 0

DOMINGO 305 8 7 13 2 0 0 0

TPDS 231 4 21 15 3 0 0 0

Tabla 6. Resultados del aforo en la vía trocha 12, en una semana típica. Fuente: Seringtec

Tránsito atraído: Es aquel que utilizará el proyecto, por las ventajas o beneficios que ofrece. No se tendrá

en cuenta, dado que la vía ya se encuentra pavimentada y no cambiaran en gran medida las características.

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

540 ACACIAS-GUAMAL 6509 13 4.498 4.554 4.091 3.824 3.811 3.647 4.323 4.659 6.510 5.340 5.906 5.473 6.628 6.740 14.495 9.044 12.787 10.643 10.037 8.542 10.571

SERIE HISTÓRICA Y COMPOSICIÓN DEL TRÁNSITO PROMEDIO DIARIO

TERRITORIAL METALON.

(KM).

ESTAC

. No.SECTOR

CODIGO

VIA

51

Tránsito generado: Es aquel que se origina por el proyecto mismo, debido a mejores condiciones de oferta,

generalmente corresponde al tránsito nuevo por efecto del desarrollo del área de influencia. Para este caso

corresponde con el tránsito generado debido a la entrada del equipo de perforación para el desarrollo de los

dos pozos para la locación Trogon; además de contar con el transporte para la etapa de completamiento y

de construcción de los pozos.

7.2. Procesamiento de la información

Para la clasificación de los vehículos se emplea la Resolución 4100 del 28 de diciembre de 2004, por la

cual se adoptan los límites de pesos y dimensiones en los vehículos de transporte terrestre automotor de carga

por carretera, para su operación normal en la red vial a nivel nacional de Colombia; la resolución también

aparece representada en el Manual Diseño de Pavimentos Asfálticos en vías con Medios y Altos volúmenes de

tránsito (Tabla 3.1). En la Figura 33 se representan los tipos de vehículos que clasifican y aplican para Colombia.

Figura 33. Clasificación de vehículos en Colombia.

Fuente: Resolución 004100 / 28 dic 2004.

7.3. Tránsito y vehículos para el proyecto

En la Tabla 7, se presenta la descripción del listado de los equipos de perforación que se requiere para el

ingreso y salida de los equipos de perforación, para un pozo; se describen el vehículo de carga, sus dimensiones,

peso del vehículo, peso de la carga, el total del peso y se definieron los “Tipos de Vehículo” aplicando la

resolución 4100/2004. Cabe aclarar que en la tabla está el listado para el ingreso, es decir un solo recorrido.

EQUIPO A

TRANSPORTAR

PERFORACIÓN

VEHICULO

DE

CARGA

Ca

nti

da

d

La

rgo

An

cho

Alt

o

Pes

o d

el

Veh

ícu

lo

Pes

o d

e la

carg

a

Pes

o

Veh

ícu

lo+

Ca

rga

Tip

o d

e v

ehíc

ulo

Un m m m Ton Ton Ton

Semi-trailer Carrier Cabezote 1 16,80 4,00 3,00 10,00 36,00 46,00 3S4

Torre y Top Drive (Cama alta extensible)

Cama alta 1 16,80 3,30 3,70 18,00 42,00 60,00 3S3

HPU (cabezote) Cabezote 1 14,00 3,10 4,40 10,00 30,00 40,00 3S3

Power Control Unit (cama

baja) Cama baja 1 20,00 3,10 3,40 24,00 32,00 56,00 3S4

Tanques de lodo (cabezote) 1 Cabezote 1 15,00 3,40 3,90 10,00 11,00 21,00 3S2

52

EQUIPO A

TRANSPORTAR

PERFORACIÓN

VEHICULO

DE

CARGA

Ca

nti

da

d

La

rgo

An

cho

Alt

o

Pes

o d

el

Veh

ícu

lo

Pes

o d

e la

carg

a

Pes

o

Veh

ícu

lo+

Ca

rga

Tip

o d

e v

ehíc

ulo




Bombas de lodo (cabezote) Cabezote 2 14,60 3,30 3,30 10,00 50,00 60,00 3S4

Bodega de Materiales (C,B) Cama baja 2 12,96 2,80 4,10 24,00 20,00 44,00 3S3

Generadores (cabezote) Cabezote 3 14,00 3,30 3,45 10,00 25,00 35,00 3S2

Canastas para tubería (C,A) Cama alta 6 12,00 2,30 2,60 16,00 23,00 39,00 3S2

Pipe Handler (C,B) Cama cuna 1 11,90 2,90 4,75 24,00 25,00 49,00 3S3

Dog house y estructura mesa

rotaria (C,A) Cama alta 1 7,00 3,00 3,30 16,00 25,00 41,00 3S2

Mesa rotaria, power tong, tong wrench- BOP (C,A)

Cama alta 1 12,00 3,10 2,80 16,00 15,00 31,00 3S2

Planchada del pipe handler

(C,A) Cama alta 2 11,80 3,10 2,75 16,00 18,00 34,00 3S2

Mud board (C,A) Cama alta 2 11,90 2,90 2,50 16,00 12,00 28,00 3S2

Cable train (C,A) Cama alta 2 12,00 2,80 2,50 16,00 20,00 36,00 3S2

Sancocho de herramientas

(C,A) Cama alta 1 12,00 3,10 4,00 16,00 17,00 33,00 3S2

Cargador (C,B) Cama baja 1 9,00 3,00 3,70 24,00 16,00 40,00 3S3

BOP y misceláneos (C,A) Cama alta 1 12,00 2,60 2,50 16,00 12,00 28,00 3S2

BHA (C,A) Cama alta 2 12,00 2,60 2,50 16,00 18,00 34,00 3S2

Equipo de control de solidos

(C,A) Cama alta 1 12,00 3,30 3,70 16,00 20,00 36,00 3S2

Taller mecánico eléctrico (Cabezote)

Cabezote 1 12,50 3,10 2,80 16,00 15,00 31,00 3S3

Tanque de viaje y choke

manifold (cabezote) Cabezote 1 13,47 3,00 3,34 10,00 12,00 22,00 3S2

Acumulador y compresor

(cabezote) Cabezote 1 13,25 3,00 3,10 10,00 12,00 22,00 3S2

Tanque de ACPM (cabezote) Cabezote 1 12,00 2,80 2,60 10,00 11,00 21,00 3S2

Tanque de Agua Frack tank

(cabezote) Cabezote 1 12,00 2,60 2,80 10,00 11,00 21,00 3S1

Taller de soldadura (C,A) Y

ACCESORIOS Cama alta 1 12,50 3,10 2,80 16,00 12,00 28,00 3S2

Drill Pipe (C,A) Cama alta 2 12,00 2,60 2,50 16,00 31,00 47,00 3S2

Miscelaneos Cama alta 2 12,00 2,60 2,50 16,00 20,00 36,00 3S2

Caseta Company-(cabezote) Cabezote 1 12,50 3,10 2,80 16,00 8,00 24,00 3S2

Caseta Asistente (Trailer) Cama alta 1 10,30 3,00 2,70 16,00 8,00 24,00 3S2

Well site (cabezote)

Operadora Cabezote 1 12,50 3,10 2,80 16,00 7,00 23,00 2S1

53

EQUIPO A

TRANSPORTAR

PERFORACIÓN

VEHICULO

DE

CARGA

Ca

nti

da

d

La

rgo

An

cho

Alt

o

Pes

o d

el

Veh

ícu

lo

Pes

o d

e la

carg

a

Pes

o

Veh

ícu

lo+

Ca

rga

Tip

o d

e v

ehíc

ulo


Caseta Jefe de equipo Cabezote 1 12,50 3,10 2,80 16,00 8,00 24,00 2S1

Caseta dormitorio Staff Cabezote 1 12,50 3,10 2,80 16,00 8,00 24,00 2S1

Consultorio Médico (cabezote)

Cabezote 1 12,50 3,10 2,80 16,00 8,00 24,00 2S1

Comedor Cabezote 1 10,80 2,98 2,70 16,00 8,00 24,00 2S1

Caseta Tunel Cama alta 1 10,80 2,98 2,70 16,00 8,00 24,00 3S2

Casetas dormitorio Cama alta 3 10,80 2,98 2,70 16,00 8,00 24,00 3S2

PTAR - Tanque Agua Cama alta 1 12,00 2,90 2,75 16,00 7,00 23,00 3S2

Baños Cama alta 1 10,80 2,98 2,70 16,00 7,00 23,00 3S2

PATP - Tanque de Agua Cama alta 1 11,40 2,30 2,55 16,00 7,00 23,00 3S2

Caseta de Generadores Cama alta 1 12,50 3,10 2,80 16,00 12,00 28,00 3S2

TOTAL CARGAS PARA TRANSPORTE 60

Tabla 7. Listado de cargas para el taladro RIG 993 de Nabors. Fuente: Ecopetrol, 2019

En la Tabla 8, se consolidan los resultados del listado de cargas descritas en la Tabla 7, y se agrupan según

el tipo de vehículo; el procedimiento de cuantificación es: incfrementar la cantidad del número de cargas por el

número de pozos (2) y por 4 recorridos (2 ingresos y 2 salidas) correspondiente a las movilizaciones.

TIPO DE VEHÍCULO VIAJES POZOS 2 TOTAL

2S1 C2-S1 5 10 20

3S1 C4 1 2 4

3S2 C5 43 86 172

3S3 >C5 7 14 28

3S4 >C5 4 8 16

TOTAL 60 120 240

Tabla 8. Vehículos de carga, ingreso y salida de dos pozos, dos movilizaciones

Fuente: Elaboración propia

Después de realizar la perforación de cada pozo, se realiza un proceso denominado completamiento, y

corresponde a procesos de pruebas extensas y cortas (esto depende del tipo de pozo); para este estudio se

consideraron ambos procesos. Cada actividad cuenta con vehículos de transporte diferentes a los de perforación,

por lo que se consigna en la Tabla 9, los vehículos de cada actividad, por el número de pozos (2), frecuencia de

ingreso en la locación; esta actividad de información se recolectó verbalmente por el conocimiento de los

geólogos de perforación de Ecopetrol, ya que no se encuentran cuantificados.

Proceso de

completamiento

Tipo de vehículo

C2G C3 (C2S3) 3S3 (>C5)

Pruebas Cortas 60 20 12

Pruebas Extensas 270 90 96

Tabla 9. Vehículos de carga de completamiento,


54

Igualmente se revisaron los equipos de construcción que se requieren para realizar la ampliación de la

plataforma; se contabilizaron los ingresos y salidas de cama-bajas y cama-altas para el ingreso de maquinaria,

volquetas, y vehículos tipo carrotanque para agua y combustibles; la construcción de los dos pozos y

ampliaciones de la plataforma se realizan en el mismo período. Ver el registro en la Tabla 10.

Tipo de Vehículo C2P C2G 3S2 (C5)

Construcción (2 pozos) 130 1500 32

Tabla 10. Vehículos de carga para construcción y adecuación plataforma Fuente: Elaboración propia

7.4. Tránsito promedio diario (TDP)

La cuantificación del volumen del tránsito será discriminada en sus clasificaciones y flujos más

significativos e importantes, lo que permitirá obtener el valor del Tránsito Promedio Diario –TPD.

Se realiza el cálculo del TPD, por la metodología del Manual Diseño de Pavimentos Asfálticos en vías con

Medios y Altos volúmenes de tránsito del Invías, para determinar una de las variables fundamentales para la

determinación del número de ejes equivalentes que solicitarán el pavimento; además de que es un dato de

entrada en el software del programa CR-ME Versión Beta (Figura 12 capítulo 3 del estudio).

En la Tabla 11 finalmente se consolida todo el transporte que va a impactar el tramo de la vía en estudio

(Tabla 8, 9 y 10), el cual se ha denominado tránsito generado (descripción del numeral 6.1), y se calcula el

Tránsito Promedio Diario (TPD) para dos movilizaciones o 4 viajes (2 ingresos y 2 salidas).

Descripción Período de perforación años 2020-2021

Tipo de Vehículo C2P C2G C3 (C2S3) 3S1 (C4) 3S2 (C5) 3S3 (>C5)

Construcción de dos pozos 130 1500 0 0 32 0

Ingr /Retiro Movilización taladro 0 30 20 4 172 44

Pruebas Cortas 0 60 20 0 0 12

Pruebas Extensas 0 270 90 0 0 96

∑ Viajes 130 1860 130 4 204 152

TPD 32,5 465 32,5 1 51 38

Tabla 11. Consolidado de vehículos que intervienen para la perforación de dos pozos


El siguiente paso es integrar los vehículos del aforo (Tabla 6) con los resultados de la Tabla 11; este

consolidado se cuantifica y se calcula en porcentaje, ya que es un dato de entrada para el programa CR-ME en

el cálculo del factor del tránsito. Ver Tabla 12.

DESCRIPCIÓN AUTOS BUS C2P C2G C3 3S1 (C4) 3S2 (C5) 3S3 (>C5) TOTALES

Aforos 231 4 21 15 3 0 0 0 274

Perforación +pruebas 0 0 32,5 465 32,5 1 51 38 620

TOTAL 231 4 53,5 480 35,5 1 51 38 894

PORCENTAJE 0,26 0,00 0,06 0,54 0,04 0,00 0,06 0,04 1,00

25,84 0,45 5,98 53,69 3,97 0,11 5,70 4,25 100,00

Tabla 12. Consolidado de TPD del tránsito para la vía de acceso al Pozo Trogon


Para poder proyectar el tránsito se definen las tasas de crecimiento a utilizar partiendo del comportamiento

de las series históricas de conteos del Invías en carreteras existentes en la zona de influencia del proyecto en

estudio, en comparación con otros indicadores económicos de crecimiento, como son el crecimiento

poblacional, crecimiento del parque automotor y/o del producto interno bruto, nacional y regional.

55

Las variaciones de tráfico sobre un corredor vial, depende de muchos factores; se puede mencionar el

estado, vías competencia, capacidad, condiciones climáticas, población, temporalidad, etc. No obstante, para

un corredor consolidado como es el caso de estudio, las variaciones del tráfico anuales están ligadas en gran

manera a la economía de la región y del país, con lo cual se limita a datos o variables de fácil obtención y

proyección como lo son las series históricas del comportamiento del Producto Interno Bruto (PIB) nacional y/o

regional; los datos de crecimiento y proyección del PIB será el empleado en el estudio para determinar el

crecimiento del tránsito.

El Departamento Administrativo Nacional de Estadísticas (DANE), ha elaborado el Sistema de Cuentas

Nacionales, el cual define el Producto Interno Bruto como la sumatoria de los valores monetarios de todos los

bienes y los servicios producidos por un país en un año, es decir, es el conjunto de todo lo que produce y ofrece

un país en un período determinado.

Para la creación de modelos de crecimiento, el comportamiento del PIB es un buen indicador del

comportamiento del tráfico. En ese sentido como se dispone de proyecciones del PIB será posible estimar el

comportamiento del tráfico que afecte a la vía en estudio.

Mediante la consecución de los indicadores más relevantes en temas de tráfico y económicos, se expresa

la relación de las estaciones medidas en su tráfico promedio diario (TPDA) conforme a la variación del PIB

regional y/o Nacional. En la Figura 34, se indica cuáles serán las ratas de crecimiento seleccionadas para el

estudio, indicadas en el recuadro en rojo.

Figura 34. Trayectoria de crecimiento del PIB en el mediano plazo (%) (Escenario base)

Fuente: Prospectiva Económica 2018 Fedesarrollo

Por lo tanto, se toman como ratas de crecimiento para los cálculos los datos del PIB, para dos años de

periodo de diseño (2020-2021), y se considera que el año base es el 2019, se tiene:

Año 2019: 3.3%

Año 2020: 3.5 %

Año 2021: 3.7 %

56

El cálculo se complementa con los porcentajes de vehículos calculados en la Tabla 12, y se obtiene el TPD

tal como se presenta en la Tabla 13.

TPD + RATA DE CRECIMIENTO TOTAL

MIXTOS AÑO Autos BUSES CAMIONES

C2P C2G C3 C4 C5 >C5

2019 231,00 4,00 53,50 480,00 35,50 1,00 51,00 38,00 894

2020 239,09 4,14 55,37 496,80 36,74 1,04 52,79 39,33 925

2021 248,05 4,30 57,45 515,43 38,12 1,07 54,76 40,80 960

Tabla 13. Cálculo del TPD afectado según el crecimiento en el país (PIB)


7.5. Factor de equivalencia de carga por Eje (FECE)

Los vehículos transmiten sus cargas al pavimento a través de sus ejes y éstos inducen esfuerzos tanto

mayores cuanto más considerables sean las cargas, como se menciona en el capítulo 3 del Manual Diseño de

Pavimentos Asfálticos en vías con Medios y Altos volúmenes de tránsito. El factor de equivalencia de carga

por tipo de vehículo comercial representa el mayor o menor daño que un tipo de vehículo causa a un pavimento.

El factor representa el número de veces que pasa el eje normalizado de 8.2 toneladas por cada pasada del tipo

de vehículo considerado.

Para el cálculo el Invías considera las formulaciones empleadas en AASHTO’93, y se expresan como el

cálculo de la cuarta potencia, es decir, según se determinó en el ensayo AASHTO, el valor ―n en pavimentos

asfálticos oscila en un entorno más o menos restringido (3.8 - 4.2), lo que ha llevado a los diseñadores a adoptar

un valor igual a 4.0 en la solución de los problemas rutinarios con estos pavimentos [25].

Por ese motivo, la relación:

FECE = (Pi/Pr)4 Ecuación 1

Se conoce como “Ley de la Cuarta Potencia”; y las fórmulas que se utilizan para el cálculo del factor de

equivalencia de carga por eje son las ilustradas en la Tabla 14.

TIPO DE EJE FÓRMULA PARA EL CÁLCULO DEL FACTOR

DE EQUIVALENCIA

SIMPLE DE RUEDA SIMPLE

4

6.6

(Tn) Eje del Carga

SIMPLE DE RUEDA DOBLE 4

8.2

(Tn) Eje del Carga

TANDEM

4

15

(Tn) Eje del Carga

TRIDEM

4

23

(Tn) Eje del Carga

Tabla 14. Fórmulas Simplificadas para el cálculo del factor de equivalencia de carga por eje (AASHTO) Fuente: Manual de Diseño de Pavimentos Asfálticos para medios y altos volúmenes de tránsito-Invías

Por lo tanto, se determinan estos factores de equivalencia de carga por eje (FECE) para el proyecto en

estudio, teniendo presente el tipo de vehículos que va a transitar por el tramo.

Inicialmente se consolidan según el tipo de vehículo y ejes (sencillo, tándem, tridem), facilitando

determinar el peso por eje de cada carga, de acuerdo con la figura 35 [26]; en la figura se identifica cada uno

de los vehículos que van a transitar, y el valor por eje el cual está expresado en Kilo Newtons (KN).

Este valor se convierte a toneladas por medio de la conversión de 1 Ton = 9,81 KN, obteniendo así cada

uno de los valores por eje, sea sencillo, tándem o tridem. Luego mediante la aplicación de la Ecuación 1 y la

57

fórmula ratificada en la Tabla 14, se calcula el valor para cada eje; los cálculos mencionados se adjuntan en el

Anexo A.

Figura 35.Designación de tipos de vehículos en Colombia

Fuente: Tesis de Maestría - Referencia 24

En la Tabla 15, se discrimina el número de ejes según el tipo de vehículos, y se calcula, el factor de

equivalencia de carga (FECE) que se requiere para la cuantificación del tránsito de ejes equivalentes. Es

importante mencionar que el programa CR-ME versión Beta, calcula el número de ejes equivalentes, sin

embargo, para la comparación de datos en el desarrollo del estudio de tránsito se realiza el cálculo de acuerdo

a la metodología que se sigue del Manual Diseño de Pavimentos Asfálticos en vías con Medios y Altos

volúmenes de tránsito.

TIPO

VEHÍCULO

EJE SIMPLE EJE TANDEM

EJE

TRIDEM FECE

SENCILLO SENCILLO DUAL

BUS 0,68 - - - - - 0,68

C2P 1,27 1,27 - - - - 2,53

C2G 1,27 - 3,24 - - 4,50

C3 1,27 - - 3,16 - - 4,43

C4 1,27 1,27 - 3,16 - - 5,69

C5 1,27 - - 3,16 3,16 - 7,59

> C5 1,27 - - 3,16 - 1,19 5,61

Tabla 15. Cálculo del FECE para el proyecto de estudio Fuente: Elaboración propia

7.6. Factor de distribución direccional y por carril

Para el cálculo del tránsito equivalente por carril de diseño, se debe determinar la distribución porcentual

de vehículos pesados de acuerdo a las características particulares de las condiciones de tránsito en la vía en

58

estudio, indicado en el numeral 3.5 del Manual Diseño de Pavimentos Asfálticos en vías con Medios y Altos

volúmenes de tránsito.

Se determina la distribución direccional (Fd) de los vehículos comerciales o bien se adopta una distribución

del 50% en cada dirección. El número de vehículos comerciales en cada dirección por un factor de distribución

por carril (Fca) en función del número de carriles en cada sentido, para lo cual se recomienda la Tabla 16

sugerida por la AASHTO.

Número total de

carriles en cada

dirección

Factor de distribución

para el carril de diseño

(Fca)

1 1.0

2 0.90

3 0.75

Tabla 16. Factor de distribución por carril.

Fuente: Manual de Diseño de Pavimentos Asfálticos para medios y altos volúmenes de tránsito-Invías

Para el estudio desarrollado se toma como Factor de distribución el valor numérico 1, ya que hablamos de

una vía en un solo sentido, por lo tanto, el factor de distribución por carril es 1, como se menciona en la Tabla

16. Estos datos son también parte del input de entrada para el facto del tránsito del programa CR-ME Versión

Beta. El cálculo del TPD por el Factor de distribución y factor carril, se indica en la Tabla 17.

TPD CARRIL DE DISEÑO

AÑO BUSES CAMIONES TOTAL

MIXTOS C2P C2G C3 C4 C5 >C5

2019 4 54 480 36 1 51 38 659

2020 4 55 497 37 1 53 39 682

2021 4 57 515 38 1 55 41 708

Tabla 17. Cálculo del TDP por afectación del Fd y Fca


7.7. Cálculo de ejes equivalentes en el periodo de diseño

Aunque en el software del programa CR-ME Versión Beta, se realiza el cálculo de ejes equivalentes para

el periodo de diseño, es indispensable como dato de entrada calcular los ejes equivalentes durante el año de

construcción; por lo que se continúa con la aplicación de la metodología del Manual de Diseño de Pavimentos

Asfálticos para Medios y Altos volúmenes de tránsito, y servirá como valor comparativo durante la aplicación

del programa. Para el tramo de estudio se aplicará el cálculo de ejes equivalentes para el nivel de servicio 2, se

aplicará la siguiente formulación:

N8.2t año i = 365 ( TPDSi * % VCi * Fcaño i ) * Fd * Fca Ecuación 2 [24]

Donde:

N8.2t año i :

Número acumulado de ejes de 8.2 t que circularon en año i, en el carril de diseño; O también

denominados ESALs se indica en la metodología de AASHTO’93; este es el nombre que se

emplea en el programa de CR-ME.

añoi: Es uno de los años de la serie histórica.

TPDSi: Tránsito promedio diario semanal medido en el año i de la serie histórica (contabiliza el

tránsito sumado en las dos direcciones).

% Vci: Es el porcentaje de buses + camiones que se midió en el año i de la serie histórica.

59

Fcaño i:

Es el factor de equivalencia global para vehículos comerciales ó factor camión global del

año i. Su determinación se realiza mediante la expresión consignada para este fin en el

numeral 3.6.1.

Fd: Factor de distribución direccional de los vehículos comerciales.

Fca: Factor de distribución por carril.

Como ya se ha realizado el cálculo por rata de crecimiento (Tabla 13) y por el factor de distribución y carril

(Tabla 17), se procede a realizar el cálculo para las repeticiones anuales por medio de la afectación de cada tipo

de camión de acuerdo con el FECE calculado en la Tabla 15; la sumatoria de cada año arrojará el valor de ejes

equivalentes por año, como se expresa en la Tabla 18. El valor de ejes equivalentes del año 2019, será el valor

de entrada en el programa de CR-ME.

CÁLCULO DE ESAL´s (N) - REPETICIONES ANUALES

AÑO BUSES CAMIONES

N AÑO N ACUMULADO

TOTAL C2P C2G C3 C4 C5 >C5

2019 997 49.419 789.040 57.348 2.077 141.220 77.831 1.117.932 1.117.932

2020 1.032 51.149 816.657 59.355 2.150 146.163 80.555 1.157.060 2.274.992

2021 1.071 53.067 847.281 61.581 2.231 151.644 83.576 1.200.450 3.475.442

Tabla 18. Cálculo del ESALs o Ejes equivalentes N en el período de diseño Fuente: Elaboración propia

El nivel de confianza escogido será del 50%, y de acuerdo al programa de CR-ME indica: un valor de 50%

llevará al valor sin modificación. Teniendo en cuenta que el proceso de cálculo realizado, corresponde a un

tránsito estándar por parte de la industria petrolera, no se realizará ajustes al cálculo de ejes equivalentes anuales.

De igual forma y teniendo en cuenta las recomendaciones de la AASHTO como se indica en la Tabla 19, sugiere

niveles de confianza para diferentes tipos de vías, y se tomará según las características de la vía aplica para

Carreteras Locales – Rural que se mantiene entre un rango de 50-80, ratificando que el valor será 50.

Clasificación Nivel de confiabilidad

Urbana Rural

Autopistas interestatales y otras 85 - 99,9 80 - 99,9

Arterias principales 80 – 99 75 - 95

Colectoras de Tránsitos 80 - 95 75 - 95

Carreteras Locales 50 - 80 50 - 80

Tabla 19. Niveles de confianza sugerido por ASSHTO’93 Fuente: Método AASHTO’93

De acuerdo a los rangos de tránsito establecidos en el manual y expresados en la Tabla 20, se establece que

el tránsito de diseño es tipo T3.

Designación Rangos de tránsito Acumulado por carril de diseño T1 0.5 - 1 * 106

T2 1 - 2 * 106

T3 2 - 4 * 106

T4 4 - 6 * 106

T5 6 - 10 * 106

T6 10 - 15 * 106

T7 15 - 20 * 106

T8 20 - 30 * 106

T9 30 - 40 * 106

Tabla 20. Rangos de tránsito contemplados en la norma.

Fuente: Manual de Diseño de Pavimentos Asfálticos para medios y altos volúmenes de tránsito-Invías

60

7.8. Aplicación del programa CR-ME para el cálculo del transito

Se procede a la introducción de datos del tránsito con aplicación del programa de la Universidad de Costa

Rica CR-ME Versión Beta; inicialmente se selecciona el nivel de tránsito a trabajar, que para este estudio

corresponde al Nivel 3 (Básico). A continuación, se presenta la interfaz del Tránsito del CR-ME con los datos

calculados, ver Figura 36.

Los datos introducidos son:

- TDP año inicial: 894

- Crecimiento vehicular: 3.75% (año 2021)

- Factor de distribución direccional: 100%

- Factor de distribución por carril: 100%

- ESAL durante construcción: 1.117.932

- Porcentaje atraído: 0 (vía pavimentada)

- Porcentaje generado: 7%, de acuerdo con el porcentaje de crecimiento

- Nivel de confianza de la variable del tránsito: 50

- Factor de amplificación: 1

- Tipo de vehículos: Ver Tabla 11

- Porcentaje del TPD: Ver Tabla 11

- Factor daño: Ver Tabla 15

El resultado arrojado por el programa es:

- ESAL = 4.01x10^6 = 4.004.969 ejes equivalentes de 8.2 Ton sin series históricas.

Figura 36. Datos de entrada y cálculo de ESAL por el CR-ME

Fuente: Corrida del programa CR-ME Versión Beta

61

8. FACTOR CLIMA

El programa CR-ME establece dos datos a tener en cuenta en el diseño de pavimentos asfálticos:

Temperatura promedio mensual

Para el análisis climatológico se utilizó la información reportada por Climate-Data.Org con base en la cual

se presenta el comportamiento de la temperatura media mensual multianual, cuyos valores se presentan en la

siguiente Tabla 21.

Tabla 21. Valores de Temperatura media mensual multianual

Fuente: Climate-Data.Org (página libre)

Los valores seleccionados para introducir en el programa CR-ME corresponden a la primera fila de la

Tabla 21.

Índice de Thornwaite

La ecuación de Thornthwaite utiliza la temperatura media mensual, el principal controlador de la

evapotranspiración, ya que existe una relación entre este elemento del clima y la evapotranspiración, en los

meses de 30 días y con 12 horas de radiación solar (Thornthwaite, 1948) [27]. A partir del dato de temperatura

media mensual se calcula el índice térmico mensual que varía de 0 a 160, con la ecuación 3:

Ecuación 3

Donde: i = es el ídice de Thornthwaite

t = es la temperatura media mensual

Cálculo del Índice de Thornwaite

A partir de los datos de la Tabla 21, se genera la Tabla 22 con el registro de la temperatura y el cálculo del

índice de Thornwaite.

MESES ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEPT OCT NOV DIC

Temperatura

media mensual 25,60 26,00 26,00 25,20 24,60 24,60 24,20 24,60 25,00 25,00 25,10 25,00

Cálculo i 11,85 12,13 12,13 11,57 11,16 11,16 10,89 11,16 11,44 11,44 11,50 11,44

Tabla 22. Cálculo del índice de Thornwaite Fuente: Elaboración propia

62

8.1. Aplicación del programa CR-ME en función al clima del proyecto

De acuerdo con la interfaz del programa CR-SE ME registran los datos de la temperatura media mensual

y del índice de Thornwaite calculado, y se expresa como se indica en la Figura 37 así:

Figura 37. Registro de datos del caso de estudio, programa CR-ME


63

9. EVALUACIÓN GEOTÉCNICA

Para el tramo de estudio se trabajó con la información suministrada por Ecopetrol del año 2018 realizada

por el laboratorio Ingelabs Ltda., y Petrolabin; en el año 2019 los estudios son parte del trabajo realizado por la

firma consultora Seringtec contratada por Ecopetrol para el desarrollo de otra Ingeniería. La información se

encuentra documentada y adjunta en el Anexo C.

9.1. Exploración del subsuelo

Los ensayos realizados a la estructura del pavimento existente, para determinar las características

geotécnicas a lo largo de la vía, consistieron en la realización de seis (6) apiques exploratorios distribuidos

aproximadamente cada 500m, alcanzando una profundidad promedio de 1.5m, tal como se puede identificar en

la Figura 38 con el recuadro en color magenta. Se aclara que los Apiques 7 y 8 fueron realizados en las márgenes

del Caño Seco (recuadros en azul-cian) y los sondeos S-1, S-1A, S-2 y S-2A (círculos amarillos de la imagen)

se realizaron en los sitios donde se proyecta la construcción de obras de drenaje nuevas, y no hacen parte de

este estudio, solo se tomaron como información de geotecnia para completar los datos de las capas del

pavimento.

Figura 38. Localización de apiques y sondeos

Fuente: Seringtec, Ingeniería de detalle

Para cada muestra obtenida en campo, se realizaron pruebas de clasificación en el laboratorio, entre las

cuales se incluyen las clasificaciones por métodos AASHTO, y el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos

- SUCS, cálculo de los límites líquidos y plásticos, así como también se definen las humedades naturales de los

materiales. Específicamente, para los materiales granulares que hacen parte de la estructura del pavimento se

realizan ensayos como equivalente de arena, desgaste en máquina de los ángeles, índices de alargamiento y

Proctor modificado; mientras que la carpeta asfáltica se caracterizó mediante ensayos como contenido de asfalto

y estabilidad. Estudios mencionados en la Tabla 3 del capítulo 3 del estudio.

Con base en los resultados obtenidos y apoyados en las Normas de Ensayo y las Especificaciones Generales

de Construcción de Carreteras del Instituto Nacional de Vías (INVIAS), se evaluó la condición actual de cada

una de las capas que conforman la estructura de pavimento además de la caracterización física y mecánica del

suelo de subrasante.

64

Para seguir los parámetros de Invías y la evaluación de los resultados de laboratorio realizados a las capas

del pavimento, se debe considerar la calidad de los materiales y de la mezcla; es por ello que el Invías indica

que se debe considerar el tránsito en función del tránsito de diseño expresado en ejes equivalentes de 80 KN en

el carril de diseño, y se determina de acuerdo con la Tabla 23 el rango en el que se encuentra éste tránsito.

Tabla 23. Niveles de tránsito

Fuente: INVIAS – Tabla 100-1 Art.100

De acuerdo con el cálculo realizado en la Tabla 18 donde se determinó que el número de ejes equivalentes

es de 3.475.442, significa que el tránsito está en el rango de nivel de tránsito NT2.

65

10. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO 10.1. Ensayos realizados a la carpeta asfáltica

El espesor de la carpeta asfáltica no es constante a lo largo de la vía, en la Tabla 24 se presentan los

espesores encontrados a lo largo del tramo de vía en estudio, y determinado por las briquetas de la carpeta

asfáltica extraídas para los ensayos.

ABSCISAS K0+000 – K1+100 K1+100 – K2+670

ESPESOR (cm) 5.0 4.0

Tabla 24. Espesores de la carpeta asfáltica Fuente: Elaboración propia

De acuerdo al Invías, las capas asfálticas se pueden definir como capa de rodadura, intermedia o base; para

cada capa determina un tipo de mezcla permisible la cual está en función de la gradación del material, tal como

está planteada en la Tabla 25. Aquí se puede identificar que la carpeta es una rodadura con espesores entre 40-

60 mm, tal como se indica en el recuadro en rojo.

Tabla 25. Tipo de mezcla por utilizar en función del tipo y espesor compacto de la capa

Fuente: INVIAS – Tabla 450-7 Capítulo 4 Pavimentos Asfálticos

El análisis granulométrico realizado a las briquetas, confirma que la carpeta asfáltica instalada corresponde

a una mezcla densa en caliente tipo MDC-19. En la Tabla 26, se adjunta la clasificación granulométrica que

deben cumplir las mezclas asfálticas tipo MDC, establecida en las Especificaciones Generales de Construcción

de Carreteras.

Tabla 26. Franjas granulométricas para mezclas asfálticas en caliente de gradación continua


Por ejemplo, en la Tabla 27 se presentan los resultados de los ensayos granulométricos realizados a la

muestra o briqueta de asfalto 1 del tramo K0+000 al K+025; en el Anexo C se consignan los soportes de los

ensayos de todas las briquetas y ensayos llevados a cabo, para determinar que el material de la capa de rodadura

es una MDC-19. En el año 2018 y en el 2019, Ecopetrol realizó ensayos a la mezcla instalada; durante la revisión

de la información técnica se cualificaron las características de las mezclas y no cambiaron mucho entre los

periodos de los ensayos.

66

Tabla 27. Franjas granulométricas briqueta tramo K0+000-K1+025

Fuente: Petrolabin SAS - 2018

Dentro de los ensayos realizados se tienen el INV-E-732, INV-E-733 y INV-E-748 los cuales se

describieron en la Tabla 3 del capítulo 3. Como parte del estudio de laboratorio se realiza la caracterización de

la granulometría de las briquetas; los resultados del tamizaje mantienen ratificando que la composición del

material granular de la mezcla se ajusta con los datos especificados en la Tabla 26; el resultado gráfico de la

curva granulométrica se muestra en la Figura 39.

Figura 39. Granulometría de la MDC-19 tramo K0+500 briqueta del año 2019

Fuente: Petrolabin SAS – Ecopetrol

En el Anexo C se adjuntan los resultados de las briquetas tomadas en diciembre del 2018 así: muestra 1

del K2+280 al K2+065; muestra 2 del K2+280 al K1+059; muestra 3 del K1+159 al K1+125; y muestra 4 del

K1+025 al K0+000. Para el año 2019 se tomaron briquetas en las abscisas K0+500, K1+000, K1+500, K2+000

y K2+650.

Siguiendo las especificaciones de la norma Invías para MDC, se realizaron ensayos complementarios como

lo describe la Tabla 28, y corresponden a ensayos para el diseño de una mezcla asfáltica por el Método Marshall,

metodología aplicada en Colombia.

A las briquetas de la carpeta asfáltica se le realizaron ensayos como son: estabilidad (E), flujo (F), relación

de estabilidad sobre flujo (E/F), relación de vacíos con aire, vacíos en los agregados, porcentaje del contenido

de asfalto, etc., los cuales se mencionan en la Tabla 28; en esta tabla se describen las tolerancias o valores a

tener en cuenta para este tipo de mezclas, de acuerdo con el tránsito, que para este caso de estudio corresponde

a un NT2.

67

Tabla 28. Criterios para diseñar una mezcla asfáltica de gradación continua por el método Marshall


El consolidado de los resultados de los ensayos de laboratorio se presentan en la Tabla 29, y los soportes

hacen parte de la información contenida en el Anexo C. Es importante tener en cuenta que para el programa del

CR-SE ME requieren específicamente los datos de la densidad, relación de vacíos y el contenido efectivo de

asfalto.

ABSCISAS

TIPO

MEZCLA

(GRADACIÓN)

DENSIDAD

(gr/cm3)

ESTABILIDAD

(N)

FLUJO

(mm)

RELACIÓN

E/F (kN/mm)

VACIOS

CON

AIRE (%)

VACIOS EN

LOS

AGREGADOS

(%)

%

ASFALTO

K0+010 MDC-19 2,189 9.410 3,2 2,9 6,214 22,57 4,94

K0+500 MDC-19 2,205 9.830 3,2 3,1 5,527 22,01 4,97

K1+000 MDC-19 2,132 9.670 3,1 3,1 8,660 24,59 4,83

K1+500 MDC-19 2,141 10.600 3,1 3,4 8,273 24,27 4,98

K2+000 MDC-19 2,126 10.560 3,3 3,2 8,925 24,81 4,9

K2+650 MDC-19 2,164 10.010 3,3 3,0 7,276 23,45 4,79

PROMEDIO 2,2 10.013,3 3,2 3,1 7,5 23,6 4,9

ESPECIFICACIÓN INVIAS N/A >7500 2,0 a 4,0 3,0 a 5,0 3,0 a 5,0 >15 N/A

CUMPLE/NO CUMPLE N/A SI SI SI NO SI N/A

Tabla 29. Resultados de los ensayos realizados a la carpeta asfáltica


Del consolidado de datos extraídos de los ensayos a las mezclas y citados en la Tabla 29, se revisaron los

resultados de los ensayos de acuerdo con la norma descrita en la Tabla 28; los valores obtenidos cumplen con

la norma, a excepción de la relación de vacíos que supera los rangos entre 3,0% a 5,0%, por lo que se puede

deducir que, durante la instalación de la mezcla, se presentaron fallas en la compactación de la mezcla.

68

Otro dato de entrada pare el programa de CR-ME, son las granulometrías de los granulares de la mezcla;

se deben tener los datos de: el porcentaje acumulado en el tamiz ¾”, el porcentaje acumulado en el tamiz 3/8”,

el porcentaje acumulado en el tamiz No.4 y el porcentaje que pasa la malla No.200. Los valores para introducir

en el programa, se obtuvieron de los ensayos de laboratorio y que se encuentran en el Anexo C.

10.2. Ensayos realizados a la subbase granular

La subbase granular existente en la estructura del pavimento corresponde a tipo SBG-38 y SBG-50, el

espesor de esta capa varía entre 20 y 30 cm y se resume en la Tabla 30.

ABSCISAS K0+000 – K0+500 K0+500 – K1+110 K1+100 – K1+500 K1+500 – K2+650

ESPESOR (cm) 20 25 20 30

Tabla 30. Espesor de la subbase granular


Para esta capa se tomaron como valores de referencia, las especificaciones del Invías, de acuerdo con el

ART-320-13 de capítulo de Afirmados, Subbase y Bases; en la Tabla 31, se especifican las características de

los materiales de subbase granular que está en función de la calidad de los agregados, es decir que la subbase

granular puede ser de clase A, B o C, dependiendo del tipo de tráfico; para este caso tenemos que el tránsito de

diseño es tipo NT2, por lo que la subbase se clasifica como clase B.

Tabla 31. Requisitos de los agregados para subbases granulares

Fuente: INVIAS – Tabla 320-2 Capítulo 3 Afirmados Subbase y Bases

Así mismo en la Tabla 31, se especifican las características de la granulometría de la subbase, la cual

permite revisar y comparar de acuerdo a los resultados de los ensayos de laboratorio, para determinar qué tipo

de gradación se ajusta a la capa instalada.

En la Tabla 32 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del Invías, se definen los

rangos de granulometría para determinar si la subbase es una SBG-50 o SBG-38.

69

Tabla 32. Franjas granulométricas del material de subbase granular

Fuente: INVIAS – Tabla 320-3 Capítulo 3 Afirmados Subbase y Bases

En la Tabla 33 se presentan las características de la subbase granular existente resultado de las muestras

ensayadas en el laboratorio de suelos.

DESCRIPCIÓN AP-1 ECP AP-2 ECP AP-3 AP-4 ECP AP-5 ECP AP-6

Abscisas K0+040 K0+100 K0+320 K0+600 K1+100 K1+200 K1+700 K2+020 K2+330 K2+620

Clasificación SUCS GW-GM

GW-GM

GW-GM

GP-GM GW-GM

GW-GM

GW GW-GM

GP-GM GP-GM

Clasificación AASHTO A-1-a A-1-a A-1-a A-1-a A-1-a A-1-a A-1-a A-1-a A-1-a A-1-a

% Gravas 59,88 65.86 55,1 73.69 57,51 65,2 65.33 69,06 66.97 58,64

% Arenas 34,57 27.77 43,12 21.21 35,86 28,39 30.04 23,83 26.93 35,74

% Finos 5,56 6.37 6,79 5.1 6,62 6,4 4.63 7,11 6.1 5,02

w natural (%) 3,1 3.8 3,9 2.3 7,6 2,5 10 4,9 7.3 3,3

Tipo según INVIAS SBG-38 SBG-50 SBG-38 SBG-50 SBG-38 SBG-50 SBG-50 SBG-50 SBG-50 SBG-50

γt (gr/cm3) 1,755 1.8 1,74 1.77 1,855 1,763 1.9 1,814 1.9 1,786

γd max (gr/cm3) 2,243 2,219 2,231 2,191 2,202 2,2

w opt de compact (%) 6,6 6,25 6,64 6,21 6,63 6,19

CBR sin sumergir (%) 64 71 80 73 71

CBR sumergido (%) 62 69 75 67 66

I, Aplanamiento 18 26 28 29 24

Desgaste (%) 37,1 38,4 39,5 10 37,7

Equivalente arena (%) 74,5 72,82 71,01 69,93 70,64

Gravedad específica 1,17 1,17 1,17 1,17 1,17 1,18 1,20 1,20 1,19 1,19

Tabla 33. Resultados de los ensayos de laboratorio


Granulométricamente, se observa que el material instalado como subbase granular tiene contenidos de

gravas, arenas y finos con un comportamiento similar a lo largo de toda la vía. En la Tabla 34, se consigna un

ejemplo de los datos del laboratorio para el Apique 1 con una profundidad entre 0,00m y 0,40m; en la Figura

40 se puede ver la curva granulométrica generada a partir del tamizaje de la muestra y datos de la tabla 34. Los

datos fueron tomados de los ensayos que están adjuntos en el Anexo C.

Tabla 34. Granulometría subbase granular, apique 1 año 2019


70

La clasificación SUCS indica que entre el K0+00 a K0+320, K1+100 a K1+200 y en el K2+020

corresponde a una grava bien gradada con presencia de limos, arenas y finos; mientras que en el K0+600, y

entre el K2+330 a K2+620 se constituye como una grava mal gradada y con pocos finos. En el K1+700 a la

altura del caño Seco, se encuentra una subbase bien gradada. La clasificación AASHTO la denomina A-1-a es

decir, materiales granulares con un pasante del tamiz 200 ≤35%.

Figura 40. Granulometría subbase granular Apique 1 año 2019 – datos de la Tabla 40


Los valores correspondientes a relación de Poisson, gravedad específica, densidad seca, humedad óptima,

así como el espesor de la capa y la capacidad de soporte de la subbase, definida por el valor de CBR (California

Bearing Ratio) son datos de entrada para el programa de CR-ME y están consolidados en la Tabla 33. La

relación de soporte del suelo, es mayor a 60% en condición sumergida, como se presenta en la Figura 41. El

módulo resiliente del material es calculado por el programa de CR-ME.

Figura 41. Valores de CBR de la subbase granular


La información de los K0+100, K0+600, K1+1200, K1+1700 y K2+330 corresponden a información

existente suministrada por Ecopetrol y realizados en el año 2018; mientras que la información de las demás

abscisas K0+040, K0+320, K1+100, K1+200, K2+020 y K2+650 corresponden a los apiques realizados por

Seringtec en año 2019 y su localización se describió en la Figura 38. Todos los ensayos se adjuntan en el Anexo

C.

71

10.3. Ensayos realizados al mejoramiento con crudo de río

A lo largo de la mayoría de la vía se encontró que bajo la subbase granular existe un mejoramiento con

crudo de río. El espesor de este mejoramiento varía entre 20 y 60 centímetros. Este material no se encuentra

dentro de las franjas granulométricas definidas por el INVIAS, posee un alto contenido de gravas y una

humedad natural baja a media (entre 4 y 16%); para el caso se realizaron los mismos ensayos que para la subbase

granular, de tal manera que se pudiera determinar las características del material instalado.

En la Tabla 35, se consolidan las características del mejoramiento con crudo de río. La información de los

K0+100, K1+1200, K1+1700 y K2+330 corresponden a información existente (suministrada por Ecopetrol)

mientras que la información de las demás progresivas corresponden a los apiques realizados por Seringtec

dentro del presente estudio.

DESCRIPCIÓN AP-1 ECP AP-3 ECP AP-4 ECP ECP

ABSCISAS K0+040 K0+100 K1+100 K1+200 K1+440 K1+700 K2+330

Profundidad (m) 0,40-0,65 0,30-0,50 0,25-0,50 0,30-0,50 0,00-0,20 0,20-0,80 0,36-0,40 0,25-0,50

Clasificación SUCS GP GP GW GP SW-SM SM

Clasificación AASHTO A-1-a A-1-a A-1-a A-1-a A-1-a A-1-b

% Gravas 83,55 78,9 81,08 73,04 74,42 84,42 41,82 42,01

% Arenas 5,95 18,77 8,32 22,99 21,29 11,19 49,77 42,9

% Finos 10,6 2,32 10,59 3,97 4,29 4,39 8,41 15,09

w natural (%) 4,3 4 2,5 15,7 5,3

M, O (%) 0,61 0,7

Tipo según INVIAS N/A N/A N/A N/A N/A N/A SBG-38 N/A

γt (gr/cm3) 1,8 1,8 1,8 1,9 1,8

γd max (gr/cm3) 2,2

w opt de compact (%) 6,21

CBR sin sumergir (%) 75 20

CBR sumergido (%) 72 16

I, Aplanamiento 25 23

Desgaste (%) 40,1

Equivalente arena (%) 71,67

Gravedad específica 1,22

Tabla 35. Características del material de mejoramiento de crudo de río


El material de mejoramiento corresponde a una grava mal gradada y con pocos finos, identificándose

particularmente que entre el K1+700 y K2+230 es un material tipo arena con presencia de limos. Hay que

resaltar que entre estas abscisas no hay material de mejoramiento instalado, así que los resultados corresponden

al material de la subrasante. No se tiene trazabilidad de porque no hay crudo de río en este tramo.

La capacidad de soporte del crudo de río, definida por el valor de CBR, varía entre 70 y 16% en condición

sumergida. Sin embargo, y teniendo en cuenta que el valor de 70% se obtuvo al material existente entre 0.0 y

0.20 metros (similar a los valores obtenidos para subbase granular), se define un valor de CBR para el crudo de

río instalado a lo largo de la vía igual a 16%.

10.4. Ensayos realizados la subrasante

El suelo de subrasante está compuesto por arcillas de baja a media plasticidad, en algunos sectores de la

vía se encontraron arenas y gravas arcillosas. En la Tabla 35 se presenta el consolidado de los ensayos y

resultados obtenidos a las muestras de suelo de la subrasante.

Los resultados de la granulometría arrojan que se identifican 3 tipos de suelos:

72

CL: Arcillas inorgánicas de plasticidad baja a media, arcillas gravosas, arcillas arenosas, arcillas

limosas, arcillas magras (pulpa).

SC: Arenas arcillosas, mezclas arena – arcilla.

GC: Grava Arcillosa, mezcla grava – arenas arcillosas.

DESCRIPCIÓN AP-1 ECP AP-2 ECP AP-3 ECP AP-4 ECP AP-5 ECP AP-6

Abscisas K0+040 K0+100 K0+320 K0+600 K1+100 K1+200 K1+440 K1+700 K2+020 K2+330 K2+620

Clasificac SUCS CL SC CL CL SC CL SC CL SC GC CL SC CL

Clasificación A-7-6 A-2-4 A-7-6 A-7-6 A-2-6 A-7-6 A-4 A-6 A-2-4 A-2-4 A-6 A-2-4 A-6

AASHTO

% Gravas 0,43 13,8 0,39 0 22,8 0 6,08 2 28,8 50,1 0,68 15,5 4,17

% Arenas 20,5 57 31 25 47,3 12,6 28,4 48 49,8 19,9 32 53,6 35,7

% Finos 79,1 29,2 68,6 75 29,9 87,4 65,5 50 21,5 30,1 67,4 30,9 60,1

w natural (%) 26 24,2 25 28,8 16,8 26 19,6 13,9 30,6 16,1 32,7

LL (%) 42 31 41 33 31 38 30 30 40 31 37,5

LP (%) 25 22 24 21 22 22 21 21 22 21 22

IP (%) 17 9 17 11 9 16 9 8 18 10 15,5

M,O (%) 0,71 0,66 0,65 0,79 0,64

γt (gr/cm3) 2,1 2,1 2,1 2,112 1,9 2,04 1,9 1,9 2,1 1,9 2,1

γd max (gr/cm3) 2,15

w opt de comp (%) 31,2

CBR sin sum (%) 4 3 3 3 4

CBR sumergid (%) 3 2 3 2 3

CBR ens PDC (%) 1,67 1,76 5,14 16,1 14,5

Gravedad específica 2,70 2,70 2,70 2,70 2,70 2,70 2,70 2,70 2,67 2,67 2,67 2,67 2,67

Tabla 36. Características del suelo de la subrasante


Los ensayos de CBR se realizaron a los tres tipos de material de subrasante; se determinó la capacidad de

soporte de la Subrasante mediante ensayos de CBR inalterado, y se tomaron valores obtenidos a partir del

ensayo PDC cuyos resultados se encuentran dentro de la información suministrada por Ecopetrol. En la Tabla

37 se resumen los datos de CBR para la subrasante.

ABSCISAS K0+000 – K0+500 K0+500 – K0+800 K0+800 – K1+500 K1+500 – K2+000 K2+100 – K2+650

CBR 1,67 – 3,0 – 2,0 1,76 3,0 – 5,14 16,1 – 10,0 3,0

Tabla 37. Valores de CBR obtenidos para el suelo de la subrasante


Los demás ensayos como determinación del límite líquido, índice de plasticidad, humedad óptima,

contenido de materia orgánica, son ensayos para clasificar el suelo de subrasante y que se revisan para los

materiales de explanaciones como lo indica la Norma Art-220-13 del Capítulo 2. Los datos de gravedad

específica, humedad óptima, densidad máxima seca (Proctor), y el CBR, son datos requisitos para el programa

CR-ME.

De las muestras obtenidas en los apiques y en la extracción de núcleos a la carpeta asfáltica, así como de

la información de referencia entregada por Ecopetrol, se configuró un perfil promedio del subsuelo. En la Figura

42 se presentan los perfiles estratigráficos a lo largo del corredor vial; no se incluye el espesor actual la capa de

rodadura, con el fin de comparar la estructura de la vía teniendo como referencia los Apiques de la información

suministrada por Ecopetrol, los cuales se realizaron previo a la instalación de la carpeta asfáltica.

De la figura 42 se debe aclarar que los Apiques A-1 (K0+100), A2 (K0+600), A-3 (K1+200), A-4 (K1+700)

y A-5 (K2+330) corresponden a los ensayos realizados en el año 2018 directamente por Ecopetrol; los demás

apiques fueron realizados en el año 2019. Todos las muestras y ensayos están documentados en el Anexo C.

73

Figura 42. Perfil estratigráfico del corredor vial

Fuente: elaboración Propia

PO

RF

UN

DID

AD

(m

)

A-1

K0+040

A-1

K0+100

A-2

K0+320

A-2

K0+600

A-3

K1+100

A-3

K1+200

A-1

K1+440

A-4

1 K

1+700

A-5

K2+020

A-5

K2+330

A-6

K2+620

0

0.5 SW-SM SC

1

1.5

ODS80 ECP ODS80 ECP ODS80 ECP ODS80 ECP ODS80 ECP ODS80

ODS80 Informacion recopilada mediante exploración geotécnica de la ODS-80

ECP Información suminisrtrada por ECP

GW-GM

GP

GW

GC

GP-GM

SM

SC

GW-GM

GP

CL

GP-GM

CL

GP-GM

CLCL

GW-GM

GP

CL

GW-GM

CL

GW-GMGW

GW

CL SC

GP

CL

74

11. SECTORIZACIÓN DE TRAMOS HOMOGÉNEOS

Las condiciones y distribución de la capacidad de soporte de la vía permitieron definir cinco unidades de

diseño o unidades homogéneas, las cuales a su vez están subdivididas considerando espesor del material de

crudo de río que actualmente existe en la vía. En la Figura 43 se presenta un perfil promedio a lo largo de la vía

y en la Tabla 38 se indican las características de las unidades de diseño definidas. Para correr el programa de

CR-me, se tendrán en cuentan estas 5 unidades de diseño.

Figura 43. Perfil promedio vía Trogon

Fuente: Elaboración Propia

Es importante tener en cuenta que los apiques se realizaron hasta una profundidad de 1.50m, pero como

correspondía al mismo suelo después del primer metro, no se graficó más espesor. En la Figura 43, se puede

identificar claramente el tipo de estructura está conformando el pavimento existente, básicamente es: carpeta

asfáltica como rodadura, subbase granular, mejoramiento con crudo de río y subrasante.

Los datos consolidados en la Tabla 38, son el resultado de los ensayos realizados en el año 2018 y 2019, y

resumidos para tomar los datos requisitos del programa CR-ME.

UNIDAD

I II III IV V SUB-UNIDAD

Abscisas K0+000-

K0+500

K0+500-

K0+800

K0+800-

K1+500

K1+500-

K2+000

K2+000-

K2+650

Longitud (m) 500 300 700 500 650

Suelo de subrasante predominante Arcilla de baja

plasticidad Arena arcillosa

Arcilla de baja

plasticidad

Grava arcillosa de baja

plasticidad

Arcilla de baja

plasticidad

Humedad (%) 26 26 26 15 35

Nivel freático No reportado No reportado No reportado 0.80 m 0.80 m

Límite Líquido (%) 38 33 33 33 36

Límite plástico (%) 17 9 9 9 15

Índice de plasticidad 21 24 24 24 21

Índice de consistencia 0.57 0.29 0.29 0.75 0.05

CBR (%) 1.85 1.76 4 13 3

Módulo de reacción de la Subrasante (Mpa/m)

1.63 1.51 3.35 9.09 2.71

Espesor mejoramiento crudo de río (m) 0.20 0.20 0.20 0.00 0.20

Tabla 38. Características de las Unidades de Diseño definidas


75

11.1. Subrasante mejorada

La estructura del pavimento cuenta con un crudo de río instalado sobre la subrasante, esto que implica que

contamos con una subrasante mejorada. Por ello, es necesario homogenizar las condiciones de la subrasante

con el material de mejoramiento; para lo cual se empleó la metodología propuesta por Ivanov [28] para definir

el CBR mejorado de la subrasante, y que se describe en la Figura 44.

Figura 44. Subrasante mejorada propuesta por Ivanov

Fuente: Elaboración Propia

Se trabaja con la aplicación de la formulación para las unidades de diseño 1, 2, 3 y 5, los cuales presentan

el mejoramiento; la unidad 4 no cuenta con material de mejoramiento, por lo que en el programa de CR-ME se

emplearán los datos de los ensayos ya descritos en el numeral 10.4 del documento.

Para desarrollar la formulación de la figura 44, se trabaja en dos partes; en la Tabla 39, se realiza la primera

parte de cálculo, que corresponde a la determinación de los módulos resilientes tanto de la subrasante como del

mejoramiento, a partir de los datos del CBR.

UNIDAD CBR %

SUBRASANTE

CBR%

CRUDO

DE RÍO

Mr subrasante (E0)

Mr =2555*CBR0,64

(kg/cm2)

Mr

Subrsante

(psi)

Mr Crudo de río (E1)

Mr (psi) =2555*CBR0,64

(kg/cm2)

Mr Crudo de río

Mr (psi)

=2555*CBR0,64

(psi)

1 1,85 16,00 3.787,75 266,31 15.067,03 1.059,32

2 1,76 16,00 3.668,76 257,94 15.067,03 1.059,32

3 4,00 16,00 6.204,54 436,22 15.067,03 1.059,32

5 3,00 16,00 5.161,17 362,87 15.067,03 1.059,32

Tabla 39. Cálculo del módulo resiliente dele mejoramiento y la subrasante Fuente: Elaboración propia

En la Tabla 40, se presentan desarrollan los cálculos de los demás factores que intervienen en la fórmula

de Ivanov; se consignan paso a paso, hasta llegar al cálculo del CBR mejorado o CBR equivalente y que será

el dato de trabajo para el programa del CR-ME.

UNIDAD E1/E0 n s

(m)

2*a

(m) 2/π 1/n3,5

s

(m) n*s/2a

Ee

(kg/cm2)

CBRequiv

%

1 3,98 1,74 0,20 0,3044 0,6366 0,1439 0,20 1,14 497,21 4,97

2 4,11 1,76 0,20 0,3044 0,6366 0,1383 0,20 1,16 487,18 4,87

3 2,43 1,43 0,20 0,3044 0,6366 0,2860 0,20 0,94 663,79 6,64

5 2,92 1,54 0,20 0,3044 0,6366 0,2206 0,20 1,01 597,42 5,97

Tabla 40. Cálculo de la fórmula de Ivanov y obtención del CBR de la subrasante mejorada


76

12. APLICACIÓN DE LA INTERFAZ DE MATERIALES CR-ME, CONDICIONES

INICIALES DEL PAVIMENTO

Inicialmente se va a correr el programa para las condiciones actuales del pavimento, y así establecer bajo

estas condiciones con qué periodo de tiempo se cuenta antes de fallar, por el paso del tránsito de diseño.

El programa pide que se definan el número de capas, tal como se indica en la Figura 45, donde se deben

especificar cuantas capas hay de carpeta asfáltica, base granular, subbase granular y subrasante.

Figura 45. Inicio de la Interfaz de materiales


Para el caso de estudio, se cuenta con la siguiente estructura:

- Carpeta asfáltica = 1 capa

- Base granular = para este caso no hay dicha capa, por lo que aplicarán los datos de la subbase

granular. Las opciones que permite escoger el programa son: número de capas 1 o 2 o 3; se escoge

el número 1.

- Subbase granular = no hay capa; las opciones que permite el programa son capa 0 o 1 o 2, es por

ello que se pasa en cero.

- Subrasante mejorada= no se especifica, pero el programa la incluye por defecto.

Como metodología de trabajo, se aclara que:

1) Se va a correr el programa para verificar las condiciones iniciales o actuales del pavimento.

2) Se va a documentar todo lo de la unidad de diseño 1, en esta sección del documento; en el

Anexo B se adjuntará la corrida del programa CR-ME para las demás unidades de diseño, es

decir, de las unidades 2, 3, 4 y 5, para las condiciones iniciales o actuales del pavimento. En

esta sección sólo se documentan los resultados.

3) Se corre el programa CR-ME iterando hasta encontrar el espesor de sobrecarpeta que satisfaga

las condiciones de todas las unidades de diseño; se documentarán todos los resultados

arrojados por el programa.

12.1. Unidad de diseño 1 del K0+000 al K0+500

A continuación, se entregan las imágenes de los datos que se documentan para correr la primera unidad de

diseño.

77

Capa de carpeta asfáltica: se selecciona como nivel de trabajo el número 3 (básico) y se trabaja

con el modelo de Witczak; los otros dos modelos como son “Modelo de Wictzak-Lanamme” y el

“Modelo Wictzak- Ann-Lanamme”, son modelos ajustados a las condiciones de Costa Rica, por

el trabajo realizado por el Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales de la

Universidad de Costa Rica (Lanamme), por lo tanto se descartan. En la Figura 44, se documentan

los datos de las propiedades de la mezcla asfáltica; luego de introducir los datos, se da “Guardar”

y pasa a la siguiente pantalla.

Figura 46. Registro de datos propiedades de la mezcla asfáltica, programa CR-ME


Cabe mencionar que se trabaja con el nivel 3 (básico) debido a que se cuentan con los datos solicitados de

la mezcla asfáltica y el ligante asfáltico, mientras que: para el nivel 1 el programa solicita datos del coeficiente

de la curva maestra (Ensayo NCHRP 1-28A o AASHTO T320); y el nivel 2 solicita datos de la curva maestra

por la metodología de Arrhenius.

Propiedades del Ligante Asfáltico: se mantiene el nivel 3 (básico), se selecciona el grado de

penetración convencional, el cual es un valor determinado por el programa CR-ME; los datos de

A-VST (índice de susceptibilidad térmica) [29] para el ligante asfáltico envejecido y RTFO

(ensayo de laboratorio horno de película fina rotativa) son datos que carga el programa por

defecto. Se finaliza dándole “Guardar”, como se presenta en la Figura 47.

Figura 47. Registro de datos propiedades del ligante asfáltico, programa CR-ME


78

La relación de Poissons se selecciona de acuerdo con la Tabla 2, que se extrajo de la Guía de rehabilitación

de Invías; el valor seleccionado corresponde al concreto asfáltico es de 0.35.

Curva maestra: el programa nos envía a una pantalla donde se puede solicitar la gráfica de la curva

maestra la temperatura de referencia que por defecto corresponde a 70, y luego se le indica

“Graficar curva maestra”, generando la imagen que se presenta en la Figura 48; se da “Guardar”

y se continua.

Figura 48. Generación de la Curva Maestra, programa CR-ME


Al dar el “Guardar” en la curva maestra, el programa nuevamente nos remite a la interfaz principal

de los materiales, y se debe seleccionar la siguiente etapa que corresponde a la capa granular.

Capa de Base/Subbase Granular: en esta sección se introducen datos como espesor de la capa en

centímetros, relación de Poisson, porcentaje que pasa el tamiz 200, índice de plasticidad, gravedad

específica (Gs), densidad máxima seca (kg/m3), porcentaje de humedad óptima, y porcentaje del

CBR óptimo; por defecto el programa calcula el Módulo Resiliente y lo expresa en MPa. Por

9último, se da “Guardar”. En la Figura 49, se indican los datos de la capa de base, que realmente

corresponde a la subbase granular para el pavimento en estudio.

Figura 49. Datos de la capa de subbase granular, programa CR-ME


79

El programa CR-ME calcula el módulo resiliente de la subbase, para esta primera unidad es de 25.66

MPa.

Subrasante: se insertan datos como profundidad de la roca (m), relación de Poissons, porcentaje

que pasa el tamiz 200, índice de plasticidad, gravedad específica, densidad máxima seca (kg/m3),

humedad óptima y el CBR óptimo, este último dato corresponde al valor calculado en la Tabla 40.

Ver Figura 50. Se finaliza con “Guardar”.

Figura 50. Datos de la subrasante mejorada, programa CR-ME


El programa CR-ME calcula el módulo resiliente de la subbase, para esta primera unidad es de 49.16

MPa.

Modelos de desempeño: Estos modelos permiten predecir el daño por fatiga tanto de arriba hacia

abajo y de abajo hacia arriba producido en la carpeta asfáltica y el ahuellamiento producido en

cada capa. Ver figura 51.

Figura 51. Modelos de desempeño, programa CR-ME


80

Estos modelos están cargados por defecto con la metodología MEPDG (Mechanistic-Empirical Pavement

Design Guide-MEPDG diseñada por la AASHTO en el año 2008); al ser seleccionados el sistema

automáticamente colocará los valores predeterminados por los modelos de esta guía. Se da “Guardar” y se abre

una ventana de los “Modelos de deterioro” donde se especifican los datos para cada capa. Para el caso de estudio

se continuarán con los datos de la guía MEPDG. Estos datos solo se cargan una vez para la corrida del programa

de todas las unidades de diseño.

En la Figura 52 se especifican los datos para carpeta asfáltica que por defecto trae cargados el programa de

CR-ME, para el agrietamiento de abajo hacia arriba.

Figura 52. Agrietamiento de abajo hacia arriba, para Carpeta asfáltica-programa CR-ME


En la Figura 53 se identifican los módulos y coeficientes del agrietamiento de arriba hacia abajo; se escoge

el modelo del MEPDG.

Figura 53. Agrietamiento de arriba hacia abajo, para Carpeta asfáltica-programa CR-ME


En la Figura 54 se cargan los datos para el cálculo del ahuellamiento, y se selecciona el modelo MEDPG.

81

Figura 54. Ahuellamiento, para Carpeta asfáltica-programa CR-ME


En la Figura 55 se seleccionan los coeficientes de transferencia para la carpeta asfáltica; estos datos son

confirmados por el manual del programa CR-ME en el numeral 3.7.3.4 de este documento. Los factores

recomendados por la guía MEPDG son los mostrados en la Figura 24, 𝐶1 = 1, 𝐶2 = 1 y 𝐶3 = 6000 para el área

agrietada, mientras que para el agrietamiento longitudinal los factores son: 𝐶1 = 7, 𝐶2 = 3.5 y 𝐶3 = 1000.

Figura 55. Funciones de transferencia, para Carpeta asfáltica-programa CR-ME


En la Figura 56 se seleccionan las condiciones del ahuellamiento para la subbase granular; para ello se

continúa con el modelo MEPDG, que los carga por defecto en el programa.

Figura 56. Ahuellamiento para la subbase granular-programa CR-ME


82

En la Figura 57, se seleccionan los coeficientes para la subrasante; se mantiene la selección del modelo MEPDG.

Figura 57. Ahuellamiento subrasante-programa CR-ME


Luego de seleccionar los modelos de deterioro, el programa se regresa a la Interfaz Principal del programa

CR-ME como se ve en la Figura 58; en esta fase ya se pueden identificar que los Datos de Entrada están en

color verde, eso significa que toda la información está cargada, y se puede correr el programa.

Figura 58. Interfaz principal con todos los datos introducidos - programa CR-ME


Diseñar: en la Interfaz Principal se da click al botón “Diseñar”, el programa inicia marcando con

una barra azul el progreso de la corrida del programa, hasta completar el 100%.

Aparece el primer pantallazo de resultados como se puede identificar en la Figura 59; corresponde a los

resultados de las propiedades de los materiales: arroja el Módulo Resiliente de la Subbase granular en color

rojo y subrasante en color azul en la imagen de la izquierda. El Módulo Dinámico de la carpeta asfáltica en el

lado derecho en color rojo identificada por el programa como “Carpeta asfáltica superior”.

Las curvas representan el primer año de servicio en meses (12); de ambos se puede guardar las imágenes

obtenidas por separado o como se presentan en la Figura 59. El valor del módulo dinámico más alto se alcanza

en el mes 7 con 7.257 MPa, y el menor valor en el es 2 con 6.676 MPa. El valor del módulo resiliente de la

subbase es de 63 MPa y de la subrasante de 40 MPa.

83

Figura 59. Módulo Resiliente y Módulo Dinámico Unidad de diseño 1- programa CR-ME


En la Figura 60 se identifican las curvas por daños por fatiga que el programa grafica, y entrega de forma

automática.

Figura 60. Daño por Fatiga Unidad de diseño 1 - programa CR-ME


El porcentaje de daño de la capa asfáltica se presenta en porcentaje para el daño por Fatiga así: un daño por

fatiga de abajo hacia arriba MEPDG = 118,98% en color rojo, y el daño por fatiga de arriba hacia abajo MEPDG

= 339,98% en color fucsia; lo anterior en números, pero la imagen presenta la gráfica facilitando entender, que

para ambas condiciones la carpeta asfáltica falla en el primer año de servicio.

El área agrietada tiene un valor límite del 25% (en color azul), e indica que falla en el primer año de

servicio, aproximadamente en el mes 11 con un 57,8% (indicado en color rojo). En cuanto al Agrietamiento

longitudinal, el valor límite corresponde a 2000 pies/millas (en color azul), y éste falla antes del primer trimestre

de servicio.

84

En la Figura 61, se puede observar el Ahuellamiento, capa por capa, y total; el valor límite corresponde a

12.50 mm (color azul cian), y de acuerdo con las curvas el ahuellamiento total de las capas falla en el primer

mes de servicio.

Figura 61. Ahuellamiento Unidad de diseño 1- programa CR-ME


Para las demás unidades de diseño se aplica la misma metodología de trabajo anteriormente descrita, por

lo cual se presentarán a continuación los demás datos y resultados para las Unidades de Diseño 2, 3, 4 y 5. Se

aclara que para todos se mantienen los mismos datos de tránsito y clima, es decir, que después de documentar

en el programa esta información, se mantiene para el resto del proceso. Lo mismo sucede con la selección de

módulos de transferencia.

Sin embargo, durante el desarrollo del programa se evidenció que cada que se chequean los datos en una

de las interfaces, el programa automáticamente borrar un dato para poder validar la nueva actividad; por lo que

hay que poner especial atención en estos aspectos para no omitir datos y cometer errores de cálculo.

12.2. Unidad de diseño 2 del K0+500 – K0+800

A continuación, se presentan los resultados de correr el programa de CR-ME; en la figura 62 se ilustran las

curvas de los módulos resilientes de los materiales y del módulo dinámico de la mezcla asfáltica. Para los

módulos resilientes de los materiales entrega los módulos en Mega Pascales (MPa) la base con 413 MPa, la

subrasante con 83 MPa.

El módulo dinámico de la mezcla asfáltica mientras tanto tiene un valor máximo de 6.298 MPa para el mes

7; y el menor valor es para el mes 2 con 5.791 MPa.

85

Figura 62. Módulo de las capas granulares y Módulo dinámico de la mezcla Unidad de diseño 2 - programa CR-ME


El daño por fatiga en esta unidad es menor con respecto a la unidad 1, pero igual presenta falla de ambas

condiciones de abajo hacia arriba, y de arriba hacia abajo en el primer año de servicio, tal como se puede

observar en la Figura 63.

Figura 63. Daño por Fatiga del pavimento existente Unidad de diseño 2 - programa CR-ME


En cuanto al área agrietada la gráfica indica que falla aproximadamente en el mes 21, superando el valor

límite del 25%; mientras que el agrietamiento longitudinal falla en el primer semestre del primer año de servicio,

tal como se identifica en la Figura 63.

En cuanto al ahuellamiento para ésta unidad de diseño 2, no se presenta falla por esta condición, tal como

se evidencia en la Figura 64; el total del valor del ahuellamiento es de 9.21mm, sin superar los 12,5mm de

tolerancia según el modelo MEPDG.

86

Figura 64. Daño por Ahuellamiento del pavimento existente Unidad de diseño 2- programa CR-ME



En la Figura 65 se presentan los resultados de correr el programa de CR-ME; y se ilustran las curvas de los

módulos resilientes de los materiales y del módulo dinámico de la mezcla asfáltica.

Figura 65. Módulo de las capas granulares y Módulo dinámico de la mezcla Unidad de diseño 3- programa CR-ME


Para la unidad de diseño 3, se tiene que el módulo resiliente de la subbase granular es de 448 MPa, y la

subrasante alcanza 101 MPa. El módulo dinámico de la carpeta asfáltica se mantiene como el menor valor en

el mes 2 con 5.791 Mpa y el valor máximo en el mes 7 con 6.298 MPa; son los mismos valores de la unidad 2,

pero difieren de la unidad de diseño 1.

En la figura 66 se representan los daños por fatiga, y mantiene un comportamiento similar que para la

unidad 1 y 2, para cada una de las condiciones; el área agrietada falla en el primer año de servicio con 57,9%

sobrepasando el valor límite del MEPDG de 25%.

87

Figura 66. Daño por Fatiga del pavimento existente Unidad de diseño3 - programa CR-ME


El valor del agrietamiento longitudinal es similar a la unidad 2, fallando en el primer trimestre del primer

año con un agrietamiento total de 9.258 pies/millas.

En cuanto al ahuellamiento de las capas, presenta una disminución con respecto a la unidad 2, con un valor

total de 7,56 mm. Ver Figura 67.

Figura 67. Daño por Ahuellamiento del pavimento existente Unidad de diseño 3- programa CR-ME



En la Figura 68 se ilustran las curvas de los módulos resilientes de los materiales y del módulo dinámico

de la mezcla asfáltica. En esta unidad el módulo de la subbase alcanza un valor de 420 MPa, mientras que la

subrasante de 107 MPa.

88

El módulo dinámico de la carpeta se mantiene que el valor más bajo es en el mes 2 con 5.507 MPa, mientras

que el valor máximo se alcanza en el mes con 5.990 MPa. Los valores son menores a los arrojados en la unidad

2 y 3.

Figura 68. Módulo de las capas granulares y Módulo dinámico de la mezcla Unidad de diseño 4- programa CR-ME


El daño por fatiga del modelo MEPDG de abajo hacia arriba alcanza un porcentaje de 191,75%, mientras

que el daño de arriba hacia debajo de 499,92%; el área agrietada supera el límite del 25% en el mes 6 del primer

año de servicio y presenta un total agrietado del 80%. El agrietamiento longitudinal se mantiene fallando en el

tercer mes del primer año superando el valor límite; este comportamiento es similar para la unidad 2 y 3. Ver

Figura 69.



El ahuellamiento en esta unidad, tampoco supera el valor límite de 12,5 mmm; el total de la deformación

alcanza los 9,05 mm. Ver Figura 70.

89

Figura 70. Daño por Ahuellamiento del pavimento existente Unidad de diseño 4 - programa CR-ME



En la Figura 71 se ilustran las curvas de los módulos resilientes de los materiales y del módulo dinámico

de la mezcla asfáltica; el módulo resiliente de la subbase es de 412 MPa valor muy cercano al de la unidad 3 y

4; el módulo de la subrasante es de 100 MPa, y sucede lo mismo, es un valor muy similar a la unidad 3 y 4.

El módulo dinámico de la carpeta asfáltica, se mantiene como las otras 4 unidades: el valor mínimo se

presenta en el mes 2 del primer año, para este caso es de 6.363 MPa; mientras que el valor máximo lo alcanza

en el mes 7 igual que para las otras unidades con 6.920 MPa.

El comportamiento del daño por fatiga de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba es similar para las 5

unidades, sólo que con porcentajes diferentes, pero con fallas antes del primer año de servicio, tal como se

puede identificar en la Figura 72.

Figura 71. Módulo de las capas granulares y Módulo dinámico de la mezcla Unidad de diseño 5 - programa CR-ME


90

El porcentaje del área agrietada es similar a la unidad 2, 3 y 4, presentando una falla en el primer año de

servicio, y con un total de afectación del 57,8%. Sucede lo mismo para el agrietamiento longitudinal, que supera

el límite admisible en el primer trimestre del primer año de servicio con un total de 9.034 pies/millas.



Al igual que con las unidades 2, 3 y 4, en esta unidad el ahuellamiento no afecta ni supera el límite de 12,50

mm, y por el contrario no supera los 7,68 mm. Ver Figura 73.

Figura 73. Daño por Ahuellamiento del pavimento existente Unidad de diseño 5 - programa CR-ME Fuente: Corrida del programa CR-ME Versión Beta

91

13. ANÁLSIS Y RESULTADOS DE LAS CONDICIONES INICIALES DE LA VÍA

En cada una de las unidades de diseño se encontró que las fallas por daño en Fatiga son claramente el

principal deterioro de la estructura existente. Es decir que, con el tránsito de diseño para el periodo de diseño,

la estructura de la vía va a fallar antes del primer semestre del primer año de servicio (año 2020).

A continuación, en la Tabla 4,1 se presentan los resultados consolidados que arrojó el programa de CR-

ME para la vía existente; se consignan los resultados de los cálculos del módulo resiliente de la subbase

granular, la subrasante y, el módulo dinámico de la mezcla asfáltica existente.

UN

IDA

D D

E

DIS

EÑ

O

ABSCISAS

MR CALCULADO PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

MR

SUBBASE MR

SUBRASAN. SUBBASE

GRANULAR

SUBRAS.

MEJORADA

MÓDULO

DINÁMICO

Mpa Mpa VR. MÁXIMO (Mpa)

1 K0+000 –

K0+500 25,66 49,16 40,00 62,00 7.257,00

2 K0+500 – K0+800

264,71 48,52 413,00 82,00 6.298,00

3 K0+800 –

K1+500 279,22 59,17 448,00 101,00 6.298,00

4 K1+500 – K2+000

259,77 90,96 410,00 107,00 5.990,00

5 K2+000 –

K2+650 257,29 55,28 412,00 100,00 6.920,00

Tabla 41. Consolidado de resultados condiciones iniciales del pavimento Fuente: Elaboración propia

Se puede identificar que la unidad de diseño 1 posee el módulo resiliente más bajo de toda la estructura del

pavimento, con un valor de 40 MPa, mientras que las demás unidades superan los 410 MPa. Esta misma

condición aplica para el módulo resiliente que fue calculado al inicio del programa, los valores más bajos son

para la unidad 1.

La unidad de diseño 1 y 2, presentan el módulo resiliente más bajo de la subrasante mejorada; 62 MPa para

la unidad 1, y 82 MPa para la unidad 2, las demás unidades 3, 4 y 5 superan los 100 MPa

En cuanto al módulo dinámico de la carpeta asfáltica, se tiene que los valores más bajos se presentan en el

mes 2 que corresponde con la temperatura media mensual más alta de 26°C, mientras que el valor máximo del

módulo se presenta en el mes 7 y corresponde a la temperatura más baja de la zona con 24,2°C. Lo anterior

ratifica que el módulo dinámico está directamente relacionado con el comportamiento de la temperatura y las

características elásticas de la mezcla. Entre más disminuya la temperatura, más esfuerzo tendrá que hacer la

mezcla para responder a las cargas del tránsito de diseño y a su recuperación; sucede lo contrario en el caso del

aumento de la temperatura.

De acuerdo con los valores del módulo dinámico de la Tabla 41, el mayor valor corresponde a la unidad

de diseño 1, esto puede estar asociado a la respuesta de las capas granulares, ya que son los más bajos; mientras

que la unidad de diseño 4 presenta el valor más bajo de todos los módulos en el mes 7, esta unidad no posee

subrasante mejorada, la subrasante correspondió a una grava bien gradada.

En la Tabla 42, se registran los resultados por los daños que afectan directamente el comportamiento del

pavimento; el programa CR-ME calcula el daño por fatiga de la mezcla asfáltica tanto de arriba hacia abajo,

como de abajo hacia arriba, y lo representa en el periodo de diseño.

La unidad de diseño que presenta el mayor porcentaje de daño por Fatiga de arriba hacia abajo es la unidad

4 con 499% de daño, mientras que la unidad 2 representa el menor valor con 149%; esto indica que el daño por

el paso repetitivo de las cargas del tránsito de diseño, van a colapsar la carpeta de la unidad 4, más rápido que

la unidad 2.

92

En cuanto al daño por Fatiga de abajo hacia arriba, se comportan de manera similar, la unidad 2 posee el

porcentaje más bajo con 59,36% mientras que, la unidad de diseño 4 presenta el valor más alto con 191,75%.

Esta deformación se presenta en la parte inferior de la carpeta asfáltica y está asociado al tránsito, a la

temperatura y a las capas inferiores.

En cuanto al porcentaje del área agrietada se mantiene la unidad 4 con el mayor valor de 80,20%, lo que

significa que está asociado con el comportamiento del daño por fatiga de arriba hacia abajo. Mientras que el

valor más bajo se presenta en la unidad 2 con 27,90% y lo mismo sucede con el valor del daño por fatiga de

arriba hacia abajo.

UN

IDA

D D

E D

ISE

ÑO

ABSCISAS

% DAÑO POR FATIGA AHUELLAMIENTO

DE

ABAJO

HACIA

ARRIBA

DE

ARRIBA

HACIA

ABAJO

AR

EA

AG

RIE

TA

DA

AG

RIE

TA

M.

LO

NG

IT.

TO

TA

L

CA

PA

S

CA

RP

ET

A

AS

FÁ

LT

ICA

SU

BB

AS

E

GR

AN

UL

AR

SU

BR

AS

AN

TE

CARPETA

ASFÁLTICA % pies/milla mm mm mm mm

1 K0+000 –

K0+500 118,98 339,98 57,80 9.137,60 26,34 4,95 20,74 0,65

2 K0+500 – K0+800

59,36 149,07 27,90 6.834,70 9,21 4,53 4,36 0,32

3 K0+800 –

K1+500 115,73 363,51 57,90 9.258,20 7,56 2,49 4,70 0,37

4 K1+500 – K2+000

191,75 499,92 80,20 9.718,10 9,05 2,16 5,48 1,41

5 K2+000 –

K2+650 115,39 322,23 57,80 9.034,20 7,68 2,02 5,34 0,32

Tabla 42. Resultados por daño por Fatiga y Ahuellamiento de las condiciones iniciales del pavimento Fuente: Elaboración propia

El porcentaje de área agrietada está asociada al porcentaje por formación de la piel de cocodrilo y se refiere

al daño de abajo hacia arriba; mientras que el agrietamiento longitudinal se relaciona con el porcentaje de daño

de arriba hacia abajo.

El ahuellamiento se representa en cada capa de la estructura del pavimento, y siempre está asociado al valor

máximo permitido por la guía de MEPDG de 12.5 mm. La unidad de diseño 1, falla por ahuellamiento y

deformación antes del primer año de servicio, y la capa con más valor de deformación es la subbase granular

con 20,74 mm, seguida de la subrasante con 0,65 mm. Mientras que la unidad de diseño 3 es la que menos

ahuellamiento presenta en el total de la deformación que calcula el programa con 7,56 mm y le sigue la unidad

5 con 7,68 mm.

De estos valores, también se identifica que el ahuellamiento en la carpeta asfáltica más altos corresponden

a la unidad 1 y 2; para la unidad 1 el módulo dinámico es el más alto de todas las demás unidades. Esto también

está asociado a que la subbase granular presenta el ahuellamiento más alto, y por ende la carpeta se deforma

también más pronto.

La subrasante de la unidad 4 presenta el mayor ahuellamiento, teniendo en cuenta que es la unidad donde

no se cuenta con mejoramiento con crudo de río; sin embargo, el ahuellamiento no se refleja ya que cuenta con

una subbase y una carpeta asfáltica que contrarresta la deformación.

Las unidades de diseño fallan por fatiga, siendo la más crítica la unidad 4, seguida de la unidad 1, 3, 5 y 2.

Sin embargo, por ahuellamiento la unidad 1 presenta el mayor deterioro, por lo que se puede concluir que la

unidad 1 colapsará antes del primer año de servicio, y presentará un deterioro más avanzado que las otras

unidades de diseño.

93

14. PROPUESTA DE REHABILITACIÓN

Teniendo en cuenta que todas las unidades de diseño presentan fallas tanto en daño por fatiga, como por

ahuellamiento, se proyecta ajustar las condiciones de la estructura del pavimento; para ello se propone la

instalación de una sobrecarpeta.

El procedimiento para encontrar el espesor de la sobrecarpeta, es comenzar a iterar datos, hasta lograr que

todas las unidades de diseño cumplan los rangos de porcentaje por Fatiga y Ahuellamiento indicados para el

periodo de diseño y el tránsito solicitado.

Las condiciones del clima y del tránsito se mantienen iguales que para las condiciones iniciales, así como

las condiciones de las capas de subrasante mejorada, subbase granular, módulos de transferencia, etc. En la

introducción de datos al programa CR-ME se procede a proponer en el ítem de materiales una segunda carpeta

tal como se identifica en la Figura 74.

Es por ello que una capa de asfalto aparece en rojo, para la cual se introducirán los nuevos datos de la

mezcla asfáltica. Estos datos son tomados del diseño de mezcla que tenía previsto se hubiera instalado la capa

inicial, con los valores de diseño para una Mezcla Densa en Caliente [30] MDC-19, el cual se adjunta en los

Anexos C.

Es necesario entonces, documentar los datos de la capa inicial o carpeta existente a la capa CA 2 (en rojo)

para que sea la capa inferior; y en la capa CA 1 se registran los datos de la nueva carpeta asfáltica. Lo anterior

para que la estructura se mantenga con la misma lógica constructiva de que la capa asfáltica más antigua está

debajo.

Figura 74. Capa asfáltica para instalar como sobrecarpeta - programa CR-ME


14.1. Unidad de diseño 1 K0+000 – K0+500

Después de realizar varias iteraciones, se encontró que el espesor acorde de sobre carpeta para cumplir con

las leyes de Fatiga y Ahuellamiento corresponde a 10 cm.

En la Figura 75, se adjuntan los datos del diseño de la mezcla para la segunda capa de asfalto. Los datos de

subrasante, subbase granular y carpeta inicial se mantuvieron iguales a las condiciones iniciales, y están

adjuntos en el Anexo B.

94

Se mantiene el nivel 3 (básico) para el ingreso de datos, puesto que los valores corresponden al diseño de

mezcla asfáltica original para la primera sobrecarpeta; se mantiene este diseño ya que está documentado en

condiciones reales para la vía Trogon.

Se trabaja con los valores ideales de contenido de asfalto y vacíos con aire que especifica la norma dentro

de los rangos establecidos en la Tabla 28. El valor de la densidad es de 2.160 kg/m3, y corresponde a la densidad

de diseño de la mezcla, igual sucede con la gradación de los agregados.

El ligante asfáltico es el mismo empleado en la primera carpeta con un grado de penetración convencional

60-70. El primer dato que arroja el diseño es el de graficar la Curva Maestra, la cual se adjunta en el Anexo B.

Figura 75. Propiedades de la mezcla asfáltica para sobrecarpeta Unidad de diseño 1- programa CR-ME


En la Figura 76 se evidencian los datos del módulo resiliente de los materiales granulares y del módulo

dinámico de la mezcla asfáltica para cada capa; el valor del módulo resiliente para la subbase aumentó a 397

MPa, y de la subrasante a 63 MPa.

Se puede observar en la imagen de la derecha que aparecen las curvas para las dos mezclas asfálticas, en

verde la curva de la mezcla existente o capa asfáltica inferior y en rojo la sobre carpeta propuesta o capa asfáltica

superior. Se mantiene para ambas carpetas que el mes 2 es el de menor rango en el módulo dinámico, mientras

que el mes 7 es el de mayor valor. Para la carpeta inferior el mayor valor es de 7.230 MPa, y para carpeta

asfáltica superior de 6.972 MPa; como se puede observar la carpeta inferior supera la nueva capa.

95

Figura 76. Propiedades de los materiales para sobrecarpeta Unidad de diseño 1- programa CR-ME


En la Figura 77 se identifican las curvas de los daños por Fatiga; de abajo hacia arriba el límite es de 7.64%,

y de arriba hacia abajo el límite es de 37.27%. Bajo esta condición el Área Agrietada y el Área de Agrietamiento

longitudinal, no presentan fallas en el periodo de diseño; se mantienen los mismos límites de 25% y 2000

pies/millas respectivamente.

Figura 77. Daño por Fatiga para sobrecarpeta Unidad de diseño 1- programa CR-ME


En la Figura 78 se presentan las curvas por Ahuellamiento, el límite se mantiene en 12.5mm, y con la

sobrecarpeta de 10cm, los ahuellamientos de cada capa y del total, se cumplen para los dos años del periodo de

diseño; el programa indica que la estructura cuando cumpla los dos años presenta un ahuellamiento total de

12.11mm, punto en el cual requiere un planteamiento nuevo de rehabilitación. El recuadro en rojo indica que

no se alcanza el valor máximo del ahuellamiento total antes de los 2 años.

96

Figura 78. Daño por Ahuellamiento para sobrecarpeta Unidad de diseño 1- programa CR-ME



Luego de realizar varias iteraciones se ratificó que el espesor más adecuado para superar los daños por

fatiga y ahuellamiento es una sobrecarpeta de 10 cm. En la Figura 79 se registran los datos empleados en la

carpeta para la mezcla asfáltica de diseño y el espesor que finalmente cumple con las condiciones de daño por

Fatiga y ahuellamiento.

En la Figura 80 se registran los datos generados para los módulos resilientes de los materiales; el módulo

resiliente de la subbase es de 413 MPa y el de la subrasante de 121 MPa.



El módulo dinámico de ambas capas de mezcla asfáltica, mantiene como el menor valor del módulo el mes

2, y como mayor valor el mes 7. El mayor valor del módulo dinámico para la carpeta inferior es de 7.589 MPa,

y para la carpeta superior de 6.972; la carpeta inferior supera a la carpeta nueva. El valor del módulo de la

97

carpeta inferior es igual al de la unidad de diseño 1, por lo que la capa se está comportando similar debido a la

temperatura y el tránsito.



En cuanto al porcentaje de daños por fatiga se tiene que: de abajo hacia arriba es de 3,73% mientras que de

arriba hacia abajo es de 22, 52%; el porcentaje de área agrietada nunca supera el límite del MEPDG de 25% en

el periodo de diseño, mientras que el agrietamiento longitudinal no supera los 992 pies/millas, es decir que no

falla en los dos años del periodo de diseño.

Figura 81. Daño por Fatiga para sobrecarpeta Unidad de diseño 2- programa CR-ME


El ahuellamiento total para esta condición con una sobre carpeta de 10 cm, tampoco supera el valor límite

de 12,50 mm. La carpeta asfáltica presenta el mayor ahuellamiento de 8,85 mm, pero hay que tener en cuenta

que está sumando un espesor de mezcla total de 15 cm con las dos capas. Ver Figura 82.

98

Figura 82. Daño por Ahuellamiento para sobrecarpeta Unidad de diseño 2 - programa CR-ME



Para esta unidad de diseño se probaron varios espesores, hasta comprobar que, una sobrecarpeta de 10cm

cumple también para los parámetros de daños por fatiga y ahuellamiento. En la Figura 83 se puede identificar

nuevamente el registro de datos para la sobrecarpeta, y se puede corroborar que son los mismos para unidad 1

y 2.



En la Figura 84 se registran los datos generados para los módulos resilientes de los materiales en la imagen

del lado izquierdo; la subbase granular cuenta con un módulo resiliente de 448 MPa, y la subrasante de 101

MPa.

El módulo dinámico de ambas capas de mezcla asfáltica, se ubican en la imagen del lado derecho; el mayor

módulo dinámico de la sobrecarpeta es de 6.972 MPa para el mes 7, y el de la carpeta inferior de 6.267 MPa

99

para el mismo mes. Los valores menores de los módulos en ambas carpetas siguen siendo el del mes 2. En este

caso se mantiene que la carpeta nueva sea ubique el comportamiento en la parte superior.



En la Figura 85 se presentan los daños por fatiga, con un porcentaje de abajo hacia arriba de 11,70%

mientras que, de arriba hacia abajo el valor es de 29,7%. Comportamiento similar a la unidad 2.

En cuanto al porcentaje del área agrietada se tiene que esta capa no va a presentar daños por esta condición;

mientras que por agrietamiento longitudinal la sobre carpeta se mantiene dentro del límite de 2000 pies/millas,

alcanzado apenas 1.440 pies/millas a los 24 meses.

Figura 85. Daño por Fatiga para sobrecarpeta Unidad de diseño 3 - programa CR-ME


En la Figura 86 se verifica el comportamiento por ahuellamiento, con un total 10,33 mm de afectación de

todas las capas. La carpeta asfáltica sigue siendo la de mayor ahuellamiento con 8,55mm; sin embargo, para el

periodo de diseño de los dos años, la carpeta no presentará esta deformación.

100




En la unidad de diseño 4 igualmente se probaron varios espesores hasta comprobar que, una sobrecarpeta

de 10 cm cumple todos los daños por fatiga y ahuellamiento.

En la Figura 85 se registran los datos generados para los módulos resilientes de los materiales; 410 MPa

para el módulo resiliente de la subbase granular, y 107 MPa para la subrasante.

El módulo dinámico de la carpeta superior es de 6.972 MPa para el mayor rango en el mes 7, y para la

carpeta inferior 5.960 MPa. Se mantiene la carpeta nueva como carpeta asfáltica superior.

Figura 87. Propiedades de los materiales para sobrecarpeta Unidad de diseño 4 - programa CR-ME


En la Figura 88 se presentan los porcentajes de daño por fatiga; de abajo hacia arriba de 15,46%, y de arriba

hacia debajo de 28,68%. No se presenta porcentaje de área agrietada en el periodo de diseño, y el agrietamiento

101

longitudinal se mantiene por debajo del límite para los dos años de periodo de diseño por un valor de 1.375

pies/millas.



En la Figura 89 se verifica el comportamiento por ahuellamiento; cuando se cumplan los dos años del

periodo de diseño, el ahuellamiento es de 11,46mm, sin superar al límite establecido por el MEPDG. La carpeta

asfáltica sigue siendo la de mayor ahuellamiento con 8,95 mm.




En la unidad de diseño 5 igualmente se probaron varios espesores hasta comprobar que, una sobrecarpeta

de 10 cm cumple todos los daños por fatiga y ahuellamiento.

102

Figura 90. Propiedades de los materiales para sobrecarpeta Unidad de diseño 5 - programa CR-ME


En la figura 90, se establecen los valores de los módulos resilientes de los materiales granulares; 412 MPa

para la subbase y 100 MPa para la subrasante; ver imagen del costado izquierdo.

En cuanto al módulo dinámico de las mezclas asfálticas, se tiene que 6.972 MPa corresponde al mayor

valor del módulo de la carpeta superior, mientras que 6.886 MPa para la carpeta inferior., y ambas para el mes

7. Observe que el comportamiento de las mezclas es muy similar y se acercan bastante entre las dos carpetas.

En la Figura 91 se identifican los porcentajes de daño por fatiga, 9,23% para el daño de abajo hacia arriba,

y de 27,68% de daño por fatiga de arriba hacia abajo. Se tiene que para el área agrietada no se va a presentar

porcentaje de daños en el periodo de diseño, y para el agrietamiento longitudinal el valor de 1.312 pies/millas

no supera el límite establecido.



103

En la Figura 92 se verifica el comportamiento por ahuellamiento; cuando se cumplan los dos años el

ahuellamiento es de 10.58 mm, sin llegar al límite establecido por el MEPDG de 12.50 mm. Nuevamente se

identifica que la carpeta asfáltica es la de mayor ahuellamiento con 8.52 mm de deformación.



104

15. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LA SOBRECARPETA DE 10CM

En la Tabla 43 se realiza un consolidado de los datos numéricos después de correr el programa para todas

las unidades de diseño, y establecer que el espesor de sobrecarpeta que funciona para cumplir con los parámetros

de diseño es de 10cm, para una mezcla asfáltica tipo MDC-19.

Se identifica que la unidad de diseño 1, presenta los valores más bajos del módulo resiliente para la subbase

y para la subrasante. Mientras que las unidades de diseño 2, 3, 4 y 5, poseen valores de módulos resilientes para

la subbase mayor a 410 MPa, y de subrasante mayor a 100 MPa.

U

NID

AD

DE

DIS

EÑ

O

ABSCISAS

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

SUBBASE

GRANULAR

SUBRAS.

MEJORADA

MÓDULO

DINÁMICO

CARPETA

INFERIOR

MÓDULO

DINÁMICO

CARPETA

SUPERIOR

VR. MÁXIMO (Mpa)

1 K0+000 – K0+500

397,00 63,00 7.230,00 6.972,00

2 K0+500 –

K0+800 413,00 121,00 7.589,00 6.972,00

3 K0+800 – K1+500

448,00 101,00 6.267,00 6.972,00

4 K1+500 –

K2+000 410,00 107,00 5.960,00 6.972,00

5 K2+000 – K2+670

412,00 100,00 6.886,00 6.972,00

Tabla 43. Propiedades de los materiales con una sobrecarpeta MDC-19


En cuanto al módulo dinámico se tiene que: para la unidad de diseño 1 y 2, la carpeta asfáltica inferior o

carpeta existente, presenta módulos más altos, lo que hace suponer que esta carpeta va a presentar un

envejecimiento mayor, y que puede reflejarse en la sobrecarpeta, acelerando el deterioro. Todos los módulos

de mayor valor se mantienen para el mes 7 de ambas carpetas asfálticas, lo mismo que el menor valor se presenta

en el mes 2.

El módulo dinámico de la carpeta superior, es el mismo, y esto se debe a que se presentan condiciones

ideales del diseño y de la corrida en el programa de CR-ME; mientras que las condiciones de la carpeta inferior

varían ya que son las condiciones existentes, y esta carpeta presenta un porcentaje de vacíos muy alto con

respecto a la norma Invías. Revisando los resultados de los daños por fatiga, se determina que el mayor

porcentaje de daño de arriba hacia abajo lo presenta la unidad de diseño 1, es decir que puede presentar la

condición de piel de cocodrilo más pronto en el periodo de diseño; mientras que de abajo hacia arriba lo presenta

la unidad 4, esto se asocia al tránsito de diseño que supera las solicitaciones para las cuales se requieren.

UN

IDA

D D

E

DIS

EÑ

O

ABSCISAS

TIPO % DAÑO POR FATIGA AHUELLAMIENTO

ESPESOR

DE

ABAJO

HACIA

ARRIBA

DE

ARRIBA

HACIA

ABAJO

AR

EA

AG

RI

ET

AD

A AGRIET.

LONGIT.

TOTAL

CAPAS

CARPETA

ASFÁLTICA

SUBBASE

GRANULAR SUBRASANTE

cm CARPETA

ASFÁLTICA % pies/milla mm mm mm mm

1 K0+000 – K0+500

10,00 7,64 32,27 0,00 0,00 12,11 10,54 1,37 0,20

2 K0+500 –

K0+800 10,00 3,73 22,52 0,20 992,50 10,25 8,85 1,29 0,11

3 K0+800 – K1+500

10,00 11,70 29,70 0,80 1.440,00 10,33 8,55 1,65 0,12

4 K1+500 –

K2+000 10,00 15,46 28,68 1,60 1.375,00 11,46 8,95 2,02 0,50

5 K2+000 – K2+650

10,00 9,23 27,68 0,50 1.312,00 10,58 8,52 1,95 0,11

Tabla 44. Consolidado de los valores por daño de Fatiga y Ahuellamiento con una sobrecarpeta tipo MDC-19


105

Los ahuellamientos en la totalidad de la estructura del pavimento que más puede presentar deformaciones,

corresponde a la unidad 1, con una deformación total de 12,11 mm en el periodo de diseño. Así mismo se

identifica que el mayor ahuellamiento se presenta en las carpetas asfálticas, siendo la unidad 1 la de mayor daño

con 10,54 mm, mientras que las demás unidades se mantienen en el rango promedio de 8,72 mm de

deformación. El ahuellamiento más alto en la subrasante lo presenta la unidad de diseño 4, y esto se debe a que

en este sector no hay material de mejoramiento; situación similar sucede con la subbase, el valor de

ahuellamiento más alto está en la unidad 4. Es por ello que las unidades de diseño 1 y 4 son las que presentan

ahuellamientos más acelerados, sin embargo, ninguno supera el periodo de diseño, lo que indica que después

de los dos años se comenzarán a evidenciar las deformaciones calculadas.

106

16. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS COMPARACIÓN DE CONDICIONES

A continuación, se realiza una revisión de las condiciones iniciales del pavimento vs., las condiciones luego

del planteamiento de la rehabilitación con una sobrecarpeta de 10 cm.

En la Tabla 45, se realiza la comparación de los datos de las carpetas asfálticas para los porcentajes de

daños por fatiga; con la instalación de la sobrecarpeta se evidencia una disminución en los porcentajes de daños

tanto de abajo hacia arriba, como de arriba hacia abajo, muy alto. Para la unidad de diseño 4 que se consideró

como la unidad con mayor porcentaje de daño de arriba hacia abajo, pasó de 499% a 36%; esto implica que la

sobrecarpeta aleja el daño por fatiga y la evidencia de piel de cocodrilo será muy lejana durante el periodo de

diseño.

El porcentaje de daño de abajo hacia arriba, asociado a las solicitaciones del tránsito de diseño, se

identificaron como el valor más alto en fallar para la unidad 4, y aunque con la sobrecarpeta se mantiene el

rango más alto, el valor tuvo una disminución casi del ciento por ciento. Para todas las unidades de diseño se

evidencia disminución de los porcentajes de daños en ambos sentidos.

UN

IDA

D D

E

DIS

EÑ

O

ABSCISAS

TIPO CONDICIONES

INICIALES CON SOBRECARPETA

ESPESOR

DE

ABAJO

HACIA

ARRIBA

DE

ARRIBA

HACIA

ABAJO

DE ABAJO

HACIA

ARRIBA

DE

ARRIBA

HACIA

ABAJO

cm CARPETA ASFÁLTICA %

1 K0+000 – K0+500 10,00 118,98 339,98 16,77 4,42

2 K0+500 – K0+800 10,00 59,36 149,07 7,64 37,27

3 K0+800 – K1+500 10,00 115,73 363,51 14,73 37,39

4 K1+500 – K2+000 10,00 191,75 499,92 19,46 36,08

5 K2+000 – K2+650 10,00 115,39 322,23 11,62 34,86

Tabla 45. Comparativo de valores por daño de Fatiga, condiciones iniciales vs sobrecarpeta


En cuanto al ahuellamiento se evidencia que presenta un aumento en los valores, para lo cual hay que tener

en cuenta que este daño es una deformación permanente, y en el caso de las condiciones iniciales el

ahuellamiento no estaba cumpliendo para el espesor de carpeta existente, mientras que, con la instalación de la

sobrecarpeta, se está garantizando que la deformación no aparezca antes de los dos años del período de diseño.

Ver Tabla 46.

UN

IDA

D D

E

DIS

EÑ

O

ABSCISAS

CONDICIONES INICIALES CON SOBRECARPETA

TOTAL

CAPAS

CARPETA

ASFÁLTICA

SUBBASE

GRANULAR SUBRASANTE

TOTAL

CAPAS

CARPETA

ASFÁLTICA

SUBBASE

GRANULAR SUBRASANTE

AHUELLAMIENTO (mm)

1 K0+000 –

K0+500 26,34 4,95 20,74 0,65 12,11 10,54 1,37 0,20

2 K0+500 –

K0+800 9,21 4,53 4,36 0,32 10,25 8,85 1,29 0,11

3 K0+800 – K1+500

7,56 2,49 4,70 0,37 10,33 8,55 1,65 0,12

4 K1+500 –

K2+000 9,05 2,16 5,48 1,41 11,46 8,95 2,02 0,50

5 K2+000 –

K2+650 7,68 2,02 5,34 0,32 10,58 8,52 1,95 0,11

Tabla 46. Comparativo de valores por daño por Ahuellamiento con una sobrecarpeta tipo MDC-19


107

El mayor valor por ahuellamiento lo sigue manteniendo la unidad de diseño 1, seguido de la unidad 4; en

el caso de la unidad 1, el mayor valor de ahuellamiento es por la carpeta asfáltica, y en la unidad 4 aunque la

mezcla presenta un valor alto, sigue también afectando la subbase y la subrasante.

El ahuellamiento más marcado con la sobrecarpeta lo sufren las capas asfálticas, sin embargo, si se tiene

en cuenta que se pasó de 5 o 4 cm de espesor a 15 o 14 cm, la deformación en estas capas tienen un aumento

gradual pero no es directamente proporcional al aumento del espesor.

Los ahuellamientos en la subrasante disminuyen marcadamente, y esto se debe a que la instalación de una

sobrecarpeta, aleja los esfuerzos de la subrasante; el ahuellamiento más alto es el de la unidad 4, y se mantiene

porque es la única unidad que no tiene mejoramiento. De las otras unidades, le siguen la unidad 1, 3, 2 y 5.

En consecuencia, se tiene que la falla de la unidad 1 es la más cercana al periodo de diseño y el tránsito de

diseño, y se mantiene tanto en los daños por fatiga como por ahuellamiento; y se identifica tanto para las

condiciones iniciales o existentes del pavimento como para las condiciones con la instalación de la sobrecarpeta.

Los módulos resilientes de los materiales aumentan considerablemente con excepción de la subrasante de

la unidad 1, el cual no tiene cambios significativos. Esto sigue ratificando que en cuanto al ahuellamiento la

esta unidad es la primera en reflejar los daños. Mientras que la subrasante de la unidad 2, si presenta una mejoría

significativa pasa de 82 MPa a 121 MPa., los demás módulos resilientes para la subbase y la subrasante se

mantienen iguales. Ver tabla 47.

UN

IDA

D D

E

DIS

EÑ

O

ABSCISAS

CONDICIONES INICIALES CON SOBRECARPETA

SUBBASE

GRANULAR

SUBRAS.

MEJORAD

A

SUBBASE

GRANULAR

SUBRAS.

MEJORADA

VR. MÁXIMO (Mpa)

1 K0+000 – K0+500

40,00 62,00 397,00 63,00

2 K0+500 –

K0+800 413,00 82,00 413,00 121,00

3 K0+800 – K1+500

448,00 101,00 448,00 101,00

4 K1+500 –

K2+000 410,00 107,00 410,00 107,00

5 K2+000 – K2+650

412,00 100,00 412,00 100,00

Tabla 47. Comparativo de Módulos resilientes para subbase y subrasante


Los módulos dinámicos de la sobrecarpeta se mantienen iguales, sin embargo, esto se debe a que se están

entregando en condiciones ideales; la información sirve como parámetro de referencia para control de la MCD-

19 a futuro, luego de haber sido instalada.

Mientras que la carpeta existente si sufre algunos cambios en los módulos dinámicos, para las unidades 3,

4 y 5, los módulos tienen una reducción pequeña del módulo dinámico, cuando está siendo afectado por la

temperatura media más alta que corresponde al mes 7. Mientras que para las unidades de diseño 1 y 2, estos

módulos aumentan superando los valores de la sobrecarpeta, lo que indica que hay un proceso de envejecimiento

acelerado, y al superar los valores de la capa nueva, indica que puede reflejarse en ésta, afectando el daño por

fatiga de abajo hacia arriba y su reflejo en el agrietamiento longitudinal.

108

UN

IDA

D D

E

DIS

EÑ

O

ABSCISAS

CONDICIÓN

INICIAL CON SOBRECARPETA

CARPETA

INICIAL

CARPETA

INFERIOR

CARPETA

SUPERIOR

VR. MÁXIMO (Mpa)

1 K0+000 – K0+500

7.257,00 7.230,00 6.972,00

2 K0+500 –

K0+800 6.298,00 7.589,00 6.972,00

3 K0+800 – K1+500

6.298,00 6.267,00 6.972,00

4 K1+500 –

K2+000 5.990,00 5.960,00 6.972,00

5 K2+000 – K2+650

6.920,00 6.886,00 6.972,00

Tabla 48. Comparativo de Módulos dinámicos


109

17. CONCLUSIONES

Mediante la revisión de las condiciones de la estructura del pavimento existente, se pudo

determinar que, para las condiciones actuales, la vía no podrá soportar las solicitaciones del

tránsito de diseño, en el periodo de diseño, y va a presentar daños por fatiga y ahuellamiento antes

del primer año de servicio.

Para el caso de estudio el pavimento requiere un sistema de refuerzo para mejorar las condiciones

y capacidad estructural; para ello se propuso la instalación de una sobrecarpeta de mezcla asfáltica

tipo MDC-19, y se determinó que el espesor requerido para cumplir con el número de ejes

equivalentes del tránsito de diseño es de 10 cm, para un periodo de 2 años.

Se empleó la aplicación de metodologías mecanísticas – empíricas para la evaluación y propuesta

de rehabilitación del pavimento. El concepto mecanicista se basó en el comportamiento del

pavimento, ante las acciones del clima, el tránsito, las características de los materiales y la

condición existente del pavimento. Lo anterior, permite calcular y determinar el comportamiento

de la estructura del pavimento para los diferentes niveles de daños por fatiga y ahuellamiento, en

el desarrollo del periodo de diseño. Los conceptos empíricos fueron aplicados mediante el uso de

formulaciones de la guía metodológica MEPDG basado en el método AASHTO y que emplea el

programa CR-ME versión Beta para obtener el diseño del pavimento flexible bajo la condición de

rehabilitación.

Para el cálculo del tránsito se empleó la metodología del Manual de Diseño para Pavimentos

Asfálticos en vías de Medios y Altos volúmenes de tránsito, mediante la cual se calculó el TPD,

se determinó el factor de carga (FECE) con la aplicación de la ley de la cuarta potencia y se obtuvo

el número de ejes equivalentes de 8,2 toneladas. El tránsito de trabajo corresponde a cargas

extradimensionadas y extrapesadas para la perforación de dos pozos; esto hace que las condiciones

de los vehículos sean críticos en comparación con otras condiciones de vías similares y que no

exigen una rehabilitación temprana.

El número de ejes equivalentes calculado por el manual de medios y altos volumen de tránsito es

de 3.48*106, y se designa como un tránsito tipo T3 en un rango de 2 - 4 * 106. Se puede identificar

que el tránsito de diseño, presenta valores muy altos, considerando que este tránsito deberá

transcurrir en un periodo muy corto de 2 años, por lo que hace que sea una condición crítica para

el proyecto.

La aplicación del programa de cálculo CR-ME versión Beta, calcula el número de ejes

equivalentes (ESAL´s) y el resultado es de 4,01*106 ejes equivalentes. La diferencia numérica es

de 530.000 ejes equivalentes; el programa trabaja con los mismos datos que la metodología del

manual de medios y altos volúmenes, pero aplica un factor de amplificación, y trabaja con el

porcentaje de crecimiento del último año del periodo de diseño, generando un mayor aumento del

tránsito de diseño.

Para los factores de crecimiento del tránsito, en un corredor consolidado como es el caso de

estudio, las variaciones del tráfico anuales están ligadas en gran manera a la economía de la región

y del país, con lo cual se limitó a datos y variables de fácil obtención y proyección como lo son

las series históricas del comportamiento del Producto Interno Bruto (PIB) nacional.

Otro dato de entrada importante de la metodología mecanística es el clima, y para el programa de

CR-ME, se emplean datos de la temperatura media mensual y el cálculo del índice de Thornwaite;

aunque se emplearon los datos del municipio de Guamal, es claro que el programa está orientado

a las condiciones de Costa Rica.

110

Con la evaluación geotécnica de la información del pavimento y los resultados de los ensayos de

laboratorio, se determinaron 5 unidades de diseño, o sectorización de tramos homogéneos, las

cuales se definieron mediante la evaluación de las condiciones granulométricas de las capas

granulares, empleando los rangos y valores establecidos en las Especificaciones Generales de

Construcción de Carreteras del Invías, y soportados en evaluación de características como

humedad, índices de plasticidad, límites, contenidos orgánicos, etc.

Se determinó que para la unidad 1, 2, 3 y 5 la subrasante corresponde a arcillas de baja plasticidad,

mientras que la unidad 4 a una grava arcillosa de baja plasticidad. Que sobre la subrasante hay

una capa de material de mejoramiento tipo crudo de río, con excepción de la unidad 4; y que este

material permite mejorar sustancialmente las condiciones de la subrasante, por ello se empleó la

fórmula de Ivanov, para calcular el nuevo CBR de la subrasante mejorada; la capa de

mejoramiento tiene un espesor promedio entre 20 y 60 cm.

Sobre la subrasante hay instalada una capa de subbase granular; a la cual se le realizaron los

ensayos definidos por el Invías, y se determinó que la granulometría corresponde con una subbase

tipo SBG-50 y SBG-38, con espesor entre 20 y 30 cm.

La carpeta asfáltica instalada trabaja como capa de rodadura, con espesores entre 4 y 5 cm; la cual

presenta deficiencias en el porcentaje de vacíos, como es establecido en los rangos entre 3 y 5 %,

y para el pavimento existente estos valores están entre 5 y 8,90%, por lo que se puede determinar

que la capa va a presentar deterioros acelerados por fisuramientos y agrietamientos longitudinales.

El programa de CR-ME, establece ciertos parámetros de entrada para cada una de las capas, como

espesores de la capa, relación de Poissons, densidad máxima seca, gravedad específica, humedad

óptima, porcentajes granulométricos, etc., y en el caso de las capas granulares calcula el módulo

resiliente; mientras que para la capa de asfalto arroja la curva maestra de la mezcla en función del

módulo dinámico y frecuencia de carga.

El programa de CR-ME trabaja en el caso de los materiales con 3 niveles de información; para el

caso de la mezcla asfáltica el nivel 1 requiere el conocimiento de unas constantes como son 𝛼, 𝛽,

𝛾, 𝛿 y c son obtenidas de una optimización no lineal con los datos del ensayo AASHTO T307; el

nivel 2 utilizará el modelo de Arrhenius, en este modelo no se toma en cuenta las propiedades

específicas del ligante asfáltico utilizado. Mientras que el nivel 3 (básico) es el que menos

información requiere, pero sí necesita datos granulométricos entre otros; es por ello que se trabajó

para este caso con el nivel 3, ya que esta información se tiene de los apiques, y del resultado de

los ensayos de laboratorio realizados en el año 2018 y 2019.

Teniendo en cuenta que para las propiedades de la carpeta asfáltica se tienen los modelos de

Witczak, modelo de Witczak-Lanamme y modelo de ANN-Lanamme, se define para el caso de

estudio, trabajar con el modelo Witczak. Esto se determina porque según la guía del usuario del

programa CR-ME Versión Beta, los otros dos modelos están directamente relacionados y

documentados para datos de las mezclas asfálticas de Costa Rica; mientras que el modelo de

Witczak corresponde a parámetros no normalizados, es decir para cualquier tipo de mezcla.

El programa requiere que se determinen unos módulos de transferencia que están asociados con

la guía MEPDG por defecto, pero también da la posibilidad de que se introduzcan datos

particulares. Para el caso de estudio se emplearon los datos del MEPDG.

El programa requiere que se completen todos los datos solicitados, para ir dando avance al

programa, primero datos del tránsito, luego el clima, materiales y finalmente módulos; permite

guardar por cada sección la información para después ser empleada, con extensiones de acuerdo

a la información.

111

Para el caso de estudio donde se determinaron 5 unidades de diseño, fue necesario grabar la

información en los materiales de cada unidad; pero se debe poner especial atención, porque si se

decide revisar la información guardada, el programa automáticamente borra un dato en el caso de

los granulares el valor del CBR.

El programa calcula los módulos resilientes en MPa, así como los módulos dinámicos de la

mezcla, en la parte de introducción de datos, mientras que después de completar la información y

correr el programa, entrega datos de estos módulos recalculados en función de la temperatura y el

tránsito.

El programa de CR-ME permite iterar diferentes opciones de colocación de refuerzos de capas

granulares, estabilizadas y de mezclas asfálticas, hasta lograr cumplir con todos los parámetros de

daños por fatiga y ahuellamiento.

La unidad de diseño 4 presentó el mayor porcentaje de deterioro de daño por fatiga de arriba hacia

abajo, y que este factor está asociado a las cargas del tránsito, y al hecho de que es el tramo donde

no hay mejoramiento de la subrasante.

Todas las unidades de diseño presentaron porcentajes de daños por fatiga (de arriba hacia abajo,

y de abajo hacia arriba) muy altos y con fallas antes del primer año de servicio; mientras que

después de colocar la sobrecarpeta, estas condiciones mejoraron considerablemente, de tal manera

que estos porcentajes disminuyeron hasta un 70% del valor inicial.

Además, el programa arroja curvas de porcentaje de área agrietada y de agrietamiento

longitudinal, las cuales luego de proponer la sobrecarpeta, aseguran que estos daños no se verán

reflejados ni afectados antes de los dos años del periodo de diseño.

Para la unidad de diseño 1, el programa indicó que es el tramo con más problemas por

ahuellamiento, y que fallará antes del primer año de servicio; pero que después de proponer la

sobrecarpeta esta condición cambia sustancialmente para esta unidad y las otras 4, de tal manera,

que los daños por ahuellamiento en los dos años de servicio no superarán el límite establecido por

la guía de MEPDG que corresponde a 12,50 mm.

El ahuellamiento más alto lo tendrá la unidad 1; sin embargo, para todas las demás unidades de

diseño, la capa que más se ahuella o se deforma es la carpeta de mezcla asfáltica.

Los valores de los módulos dinámicos de la mezcla asfáltica de la capa inferior o existente de la

unidad 1 y 2, superan los valores de los módulos de la carpeta superior o sobrecarpeta. Esto puede

deberse a un proceso de envejecimiento más acelerado de la mezcla debido a condiciones de los

porcentajes de vacíos de la mezcla instalada están fuera del rango normativo, y por ende este

deterioro puede reflejarse en la sobrecarpeta.

Los módulos dinámicos de las mezclas asfálticas son presentados por el programa de CR-ME en

función de la temperatura en el primer año de servicio; para este caso los módulos más bajos se

presentan en el mes 2 (febrero) y los valores más altos en el mes 7 (julio). Este comportamiento

predictivo permite determinar que en el mes de febrero están la temperatura más alta; para su

debido comportamiento revisar el contenido de asfalto para garantizar que la capa tenga la

suficiente elasticidad y resiliencia para deformarse y recuperarse. Situación similar para el mes de

julio o mes 7, donde se presenta la temperatura más baja, así que puede revisarse el contenido de

asfalto en el diseño de la mezcla para evitar que se presente rigidez temprana.

Desde un principio se planteó que la solución de una sobrecarpeta fuera el procedimiento de

rehabilitación más adecuado, toda vez que una de las premisas que estableció Ecopetrol, es el

aprovechamiento de los materiales instalados. Sin embargo, el programa CR-ME no permite

112

realizar planteamientos como el uso de geosintéticos, que permitan ganar capacidad portante en

las capas granulares y las mezclas asfálticas con el mejoramiento de los módulos resilientes y

dinámicos, respectivamente.

Aún se tienen muchas falencias, para trabajar los procedimientos del cálculo del tránsito por medio

del FECE y de espectros de carga; para casos como el de la industria petrolera se siguen aplicando

en las metodologías, los factores de equivalencia de carga establecidos por el Invías en el año de

1998, o en su defecto se toman la guía para bajos volúmenes de tránsito.

Lo mismo sucede con los métodos de diseño para pavimentos flexibles, se siguen únicamente

metodologías empíricas como AASHTO, Instituto del Asfalto o el mismo diseño Invías, sin

ahondar en métodos mecanicistas que permitan establecer mejores condiciones del tránsito, el

clima y los materiales.

113

18. RECOMENDACIONES

De acuerdo con los resultados obtenidos, se puede determinar que la sobrecarpeta permite ajustar

las condiciones de la capacidad estructural del pavimento, soportando las solicitaciones del

tránsito requerido en el periodo de diseño, pero a partir de ese periodo, se deberá programar una

nueva rehabilitación para permitir que la condición de funcionalidad de la vía se mantenga.

Es necesario continuar estudiando el programa de CR-ME para adaptarlo a las condiciones de

Colombia, ya que para las propiedades de la mezcla asfáltica los modelos de Witczak-Lanamme

y ANN-Lanamme está asociada a datos de las mezclas de Costa Rica.

Es importante aprovechar con los resultados del programa CR-ME, estudiar las condiciones de

los módulos dinámicos y el comportamiento de la curva maestra, para verificar los contenidos de

asfalto y del ligante, y predecir el comportamiento en el tiempo, de tal manera que se puedan

corregir anticipadamente factores de daños y deterioro en la carpeta asfáltica.

La metodología mecanicista permite realizar evaluaciones de las condiciones reales a las que está

sometida un pavimento, sin embargo, es necesario que la teoría sea interiorizada por parte de los

especialistas de pavimento, para realizar los ajustes a las metodologías que actualmente se vienen

aplicando en Colombia.

Para la industria petrolera, es necesario e importante realizar y presentar este tipo de ejercicios

con más frecuencia, de tal manera que permitan identificar el comportamiento de las vías bajo

conceptos mecanicistas, y con condiciones reales de acuerdo con el tránsito de trabajo.

Hay que resaltar que, aunque Colombia tiene una normatividad clara sobre el peso de los vehículos

de carga, sin embargo, muchas de las vías colombianas no tienen controles estrictos del pesaje de

los mismas, por lo que es muy difícil controlar las cargas extrapesadas y extradimensionadas que

están transitando en el país. Se recomiendan seguir trabajando en la identificación de este tipo de

tránsito, para alcanzar las relaciones directas con los problemas de daños por fatiga y de

ahuellamientos.

114

BIBLIOGRAFÍA

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[17] C. TREJOS-CASTILLO, PITRA - Programa De Infraestructura Del Transporte "Manual De Usuario

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[18] C. Trejos C., «Herramienta de cálculo complementaria a la Nueva Metodología de Diseño Mecanístico

Empírico de Pavimentos flexibles de Costa Rica,» Universidad de Costa Rica, San Juan, Mayo 2015.

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[20] C. P. U. T. de, «Aplicación de conceptos empíricos mecanicistas en el diseño de pavimentos flexibles,»

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[21] M. A. C. Whar D. Carlos, «Comparación de diseños de pavimentos flexibles nuevos según el método de

diseño AAShto 93, la norma Chilena vigente y la guía de diseño de pavimentos empírico-mecanísitica

NCHRP 1-37A,» Infraestructura vial, vol. 18, Agosto 2007.

115

[22] Invías, «Mezclas Asfálticas en Caliente de Gradación Continua (Concreto Asfáltico),» de

Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras, Bogotá D.C., Ministerio de Transporte, 2013,

pp. 450-1 a 450-47.

[23] Invías, «Afirmados, Subbase y Bases Art. 320,» de Especificaciones Generales de Construcción de

Carreteras, Bogotá D.C., Ministerio de Transporte, 2013, pp. 320-1 a 320-15.

[24] M. d. Transporte, Manual de Diseño para Pavimentos Asfálticos en vías de Medios y Altos volúmenes

de tránsito, vol. Capítulo 3, Popayán, Cauca: Instituto Nacional de Vías-INVIAS, 1998.

[25] F. Sanchez S., Guía AASHTO de Diseño Empírico-Mecanicístico de Pavimentos Módulos acdémicos de

estudio, Bogotá D.C..

[26] T. R. J. R., «Evaluación del Espectro de carga y coeficientes de daño en el corredor de la Avenida

Boyacá,» Bogotá D.C., 2011.

[27] A. E. A. J. Perez-Briceño. Paula, Dos vertientes de clasificación climática para la vertiente Caribe

costarricense según el sistema de Thornwaite, vol. 17, Costa Rica: Revista de climatología, 2017, pp. 1-

16.

[28] Z. B. S. Salamanca N. María Angélica, «Diseño de la Estructura de Pavimento Flexible por medio de los

Métodos INVIAS, AASHTO 93 E INSTITUTO DEL ASFALTO para la vía Ye - Santa Lucía Barranca

Lebrija,» Universidad Católica de Colombia, Bogotá D.C., 2014.

[29] S. D. Jorge, «Guía para la realización de ensayos y clasificación de asfaltos, emulsiones asfálticas y

asfaltos rebajados según el Reglamento Técnico Centroamericano (RTCA 75.01.22:047),» Métodos y

materiales LanammeUCR, vol. 1, nº 1, Diciembre 2011.

[30] I. N. d. Vías, «Normas para carreteras y Ensayos,» Bogotá D.C., 2013.

116

ANEXO A CALCULO DEL FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE

FECE

117

TIPO

VEHÍCULO

TIPO DE EJE (Ton)

FECE SENCILLO TANDEM

TANDEM

TRIDEM

SENCILLO TANDEM

TANDEM

TRIDEM

SIMPLE DUAL SIMPLE DUAL

BUS 6 - - - - - 0.68 - - - - - 0.68

C2P 7 7 - - - - 1.27 1.27 - - - - 2.53

C2G 7 - 11 - - - 1.27 - 3.24 - - - 4.50

C3 7 - - 20 - - 1.27 - - 3.16 - - 4.43

C4 7 7 - 20 - - 1.27 1.27 - 3.16 - - 5.69

C5 7 - - 20 20 - 1.27 - - 3.16 3.16 - 7.59

> C5 7 - - 20 - 24 1.27 - - 3.16 - 1.19 5.61

118

ANEXO B

PROGRAMA CR-ME

CONDICIONES INICIALES DEL PAVIMENTO

119

ANEXO B.1. UNIDAD DE DISEÑO 2

DATOS DE LA MEZCLA ASFÁLTICA

DATOS DEL LIGANTE ASFÁLTICO

GRÁFICA DE LA CURVA MAESTRA – RESULTADO DEL PROGRAMA CR-ME

120

DATOS DE LA SUBBASE Y SUBRASANTE MEJORADA

ANEXO B.2. UNIDAD DE DISEÑO 3



121



ANEXO B.3 UNIDAD DE DISEÑO 4


122




123

ANEXO B.4 UNIDAD DE DISEÑO 5




124


ANEXO B.5. CURVA MAESTRA PARA UNIDAD 1, 2, 3, 4 Y 5 DE LA SOBRECARPETA

125

ANEXO C

C1. ENSAYOS DE LABORATORIO JUNIO 2018

C2. ENSAYOS DE LABORATORIO OCTUBRE 2018

C3. DISEÑO DE MEZCLA NOVIEMBRE 2018

C4. BRIQUETAS MDC-19 DICIEMBRE 2018

C5. ENSAYOS DE LABORATORIO ABRIL 2019

INFORMACIÓN SUMINISTRADA POR ECP

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