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capitulo diecisis

DISEO DEPAVIMENTOS FLEXIBLES

Generalmente hablando, los pavimentos (y las bases) se pueden dividir endos grandes tipos: rgidos y flexibles. En Estados Unidos, comnmente seemplea el trmino pavimento rgido para las superficies resistentes de ro-damiento construidas con concreto de cemento Portland. Se supone que unpavimento construido con concreto posee una considerable resistencia a laflexin que le permitir trabajar como una viga y tender un puente sobrelas pequeas irregularidades que se presentan en la base o terraceras sobre lacual descansa; de aqu el trmino rgido. En forma similar, se puede lla-mar rgida a una base de concreto que soporta una capa de ladrillos obloques. El diseo estructural de este tipo de pavimento merece atencinespecial y se estudia en detalle en el captulo 20

* 16-1 Anlisis general de los pavimentos flexiblesTradicionalmente, todos los otros tipos de pavimento se han clasificado co-mo flexibles. Una definicin de uso comn es: un pavimento flexible esuna estructura que mantiene un contacto ntimo con las cargas y las distru-buye a la subrasante; su estabilidad depende del entrelazamiento de los agre-gados, de la friccin de las partculas y de la cohesin (1). De este modo, elpavimento clsico flexible comprende en primer lugar a aquellos pavimen-tos que estn compuestos por una serie de capas granulares rematadas poruna capa de rodamiento asfltica de alta calidad relativamente delgada. Es

1caracterstico que los materiales de ms alta calidad estn en la superficieo cerca de ella. Debe sealarse que ciertos pavimentos que tienen una su-perficie de asfalto pueden comportarse en forma ms parecida a los clsi-

1 cos pavimentos rgidos por ejemplo, los pavimentos que tienen superficiesde asfalto muy gruesas o donde la base est compuesta de agregados trata-

5 6 7

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dos con asfalto, cemento o cenizas ligeras de xido de calcio. No obstante,por convenir as a la presentacin, dichos pavimentos se considerarn dentrode la clasificacin de flexibles y su diseo se ver en este captulo. En la fi-gura 16.1 se presenta la seccin transversal tpica de un pavimento flexible.El elemento principal de la estructura que se ilustra es el pavimento, el cualest compuesto de una superficie de rodamiento, una base, una sub-base(no siempre se usa) y una terracera. Con frecuencia, la superficie de roda-miento y la base constan de dos o ms capas que son diferentes en su com-posicin y que se tienden en operaciones de construccin separadas. Enmuchos pavimentos de alta resistencia, es frecuente que se coloque una sub-base de material seleccionado entre la base y la terracera. La superficie derodamiento puede variar en un espesor desde menos de 1 pulgada en elcaso del tratamiento bituminoso superficial usado por su bajo costo en ca-minos de trnsito ligero, hasta 6 pulgadas o ms de concreto asfalto usadopara caminos de trnsito pesado. La superficie de rodamiento debe tenercapacidad para resistir el desgaste y los efectos abrasivos de los vehculosen movimiento y poseer suficiente estabilidad para evitar daos por el im-pulso y las rodadas bajo la carga de trnsito. Adems, sirve para impedir

R I E G O OE S E L L OCAPA DE ROOAMIENTO

CARPETA 0 CAPA OE ROOAMIENTO

ACOTAMIENTO TRATA00

R E L L E N O COMPACTAOO

0 BASE: LA CAPA 0 CAPAS OE MATERIALSELECCIONA00 0 ESPECIFICADO OUE SEC O L O C A S O B R E U N A SWGASE 0SUBRASANTE P A R A R E C I B I R tA C A R P E T AOEL CAMINO. POR EJEMPLO: ROCA

@ SWGASE: LA CAPA 0 CAPAS OE MATERIALESSELECCIONAOOS E S P E C I F I C A D O S COLOCAOOSSOBRE UNA SUGRASANTE PARA RECIBIR LABASE. IN0 SIEMPRE SE UTILIZAI.

TAITUAAOA. G R A V A , C O N C R E T O ASFALTICO0 MATERIALES TAATAOOS CON CEMENTO.

FIGURA 16-1 Seccin transversal de un pavimento flexible tpico. (Cortesa deTransportation Research Board.)

DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES 569

la entrada de cantidades excesivas del agua superficial a la base y a las terra-ceras directamente desde arriba.

La base es una capa (o capas) de muy alta estabilidad y densidad. Suprincipal propsito es el de distribuir o repartir los esfuerzos creados porlas cargas rodantes que actan sobre la superficie de rodamiento para quelos esfuerzos transmitidos a la subrasante no sean tan grandes que den porresultado una excesiva deformacin o desplazamiento de la capa de cimen-tacin. La base debe ser tambin de tales caractersticas que no sea daadapor el agua capilar ni por la accin de las heladas, ya sea, que acten porseparado o en forma conjunta. Los materiales de que disponga la localidadse utilizarn ampliamente en la construccin de la base, y los materiales pre-feridos para este tipo de construccin varan de manera notable en las par-tes diferentes del pas. Por ejemplo, la base puede estar compuesta de gravao roca triturada o puede ser un material granular trat,ado con agentes esta-bilizantes como asfalto, cemento o cenizas ligeras de xido de calcio.

En las zonas en las que la accin de las heladas es severa, en los lugaresen donde el suelo de la subrasante es en extremo frgil, o en donde es nece-saria la construccin de una plantilla de trabajo, puede usarse una sub-basede material granular o de material estabilizado. Tambin puede usarse porrazones econmicas en aquellos lugares en los que los materiales de la sub-base son ms baratos que los materiales de ms alta calidad.

La subrasante es la capa de cimentacin, la estructura que debe soportarfinalmente todas las cargas que corren sobre el pavimento. En algunos ca.sos, esta capa estar formada slo por la superficie natural del terreno. Enotros casos ms usuales, ser el terreno el que se compacte una vez que seha cortado el necesario o la capa superior en donde ha requerido terrapln.En el concepto fundamental de la accin de los pavimentos flexibles, el es-pesor combinado de la sub-base (si se usa), de la base y de la superficie derodamiento debe ser lo suficientemente grande para que se reduzcan losesfuerzos que concurren en la subrasante a valores que no sean tan grandescomo para que produzcan una distorsin o desplazamiento excesivos de lacapa de suelo de la subrasante.

16-2 Situacin del diseiio de espesorAntes de la II Guerra Mundial, la determinacin del espesor combinado delpavimento flexible y de la base necesario en cualquier circunstancia fue du-rante mucho tiempo un tema de juicio y experiencia. Se atribuye (2) al he-cho de que (1) el mtodo ha dado aparentemente resultados satisfactorios(2) no estaban disponibles muchos de los conocimientos bsicos requeri-dos para un planteamiento ms cientfico del problema, y (3) los mtodosde construccin ampliamente usados entonces, no necesitaban al parecer laevolucin de mtodos de diseo ms cientficos. No obstante, en el perdo in-mediatamente anterior a la guerra y durante sus primeras etapas, la necesidadde disear y construir en forma econmica una enorme cantidad de pistas

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en los aeropuertos y de carreteras de acceso a instalaciones militares llamla atencin sobre este problema de diseo. Lo que decidi los esfuerzos/di-rigidos a la solucin del problema del diseo econmico de pavimentos fle-xibles y bases, fue el costo incrementado de la construccin de caminosdurante y despus de los aos de la guerra.

Como consecuencia, muchos organismos gubernamentales emprendie-ron amplias investigaciones que condujeron al desarrollo de un gran nmerode mtodos de diseo diferentes. No hubo (ni hay) un acuerdo entre los in-genieros que practican la profesin acerca de cul de ellos es el mejor.

El inicio de la construccin del sistema de carreteras en el ao de 1956aceler grandemente los esfuerzos para mejorar los mtodos de diseo depavimentos. Las pruebas de carretera de la AASHO (seccin 16-9) fue el cam-po de pruebas ms extenso en la historia de la construccin de carreteras.Una de las principales etapas de las pruebas de carreteras, la cual concluyen 1961, se ocupa de los pavimentos flexibles. Desde entonces, los resulta-dos de las pruebas de carretera se ha extendido ampliamente.

El Znterim Cuide de la AASHTO, para el diseo de estructuras de lospavimentos flexibles se public por vez primera, en octubre de 1961. Conbase a la revisin de esta gua, anlisis y experiencias logradas a partir deesa fecha, en 1972 se public un nuevo interimguide (3). En 1977 se report(4) que 32 organismos estatales de carreteras utilizaron el interimguide direc-tamente para el diseo de carreteras.

Durante muchos aos, algunos ingenieros han querido disear los pavi-mentos flexibles sobre una base analtica, es decir, aplicando la teora dela elasticidad o conceptos similares sobre el comportamiento del sistemade multicapas que es un pavimento flexible. Su labor se ha visto obstaculizadapor la complejidad del problema y por la carencia de ciertos parmetrospara encajarlos en las ecuaciones de diseo. En el presente, debido a la acu-mulacin de una enorme cantidad de datos experimentales y a la extensaactividad de investigacin, se dispone de un diseo de pavimento flexiblebasado en mtodos analticos (5). El mtodo del Asfhzlt Znstitute, que se estu-dia en la seccin 16-13, se basa en un enfoque analtico.

16-3 Elementos de diseo para el espesorDesde el punto de vista un tanto simplificado, los factores principales rela-cionados con el problema de disear el espesor de los pavimentos son:

1. Cargas de trnsito.2. Clima o medio.3. Caractersticas de los materiales.

Tambin, debe considerarse un cierto nmero de otros elementos conobjeto de llegar al diseo final del espesor. Entre stos estn comprendidosel costo, la construccin, el mantenimiento y el perodo de diseo. De esta


manera, el estudiante deber entender que el proceso de diseo es comple-jo, y que es demasiado improbable que cualquier mtodo de planteamientomuy simple pueda proporcionar un xito completo bajo cualquier situacin.

16-4 Cargas de trnsitoUna de las funciones principales de la estructura del pavimento es la de res-guardar la subrasante de las cargas impuestas por el trnsito. El proyectistadeber disear un pavimento que resista un gran nmero de aplicaciones re-petidas de cargas de magnitud variable. Los factores de carga principalesque son adems importantes en el diseo de pavimentos flexibles son:

1. Magnitud de la carga por eje (y ruedas).2. Volumen y composicin de la carga por eje.3. Presin de las llantas y rea de contacto.

Por lo comn, la magnitud de la carga mxima se controla mediantelos lmites legales de carga. Con frecuencia, se emplean investigaciones detrnsito y estudios de carga para establecer la magnitud relativa y la ocu-rrencia de las diferentes cargas a que est sometido el pavimento. La pre-diccin o estimacin del trnsito total que rodar sobre un pavimentodurante su vida de diseno es muy difcil, pero es obviamente una tarea im.portante. La mayora de los procedimientos de diseo se utilizan para unincremento en el volumen del trnsito con base en la experiencia, emplean.do algunas tasas estimadas de crecimiento.

16-5 Clima o medioEl clima o medio en que se ha de construir un pavimento flexible influyedicisivamente en la vida til, resistencia y otras caractersticas de los dife-rentes materiales que conforman el pavimento y subrasante. Es probable quelos dos factores climticos ms importantes sean la temperatura y la humedad.

La magnitud de la temperatura y sus fluctuaciones afectan las propie-dades de ciertos materiales. Por ejemplo, las temperaturas altas ocasionanque el concreto asfltico pierda estabilidad, en tanto que a temperaturas ba-jas se vuelve muy duro y rgido. Tambin, las temperaturas bajas y las fluc.tuaciones de la misma se asocian con las ampollas de congelacin y conlos daos provocados por las heladas y los deshielos. Si los materiales gra-nulares no estn graduados de manera apropiada, pueden levantarse debi-do a las heladas. De la misma manera, la subrasante, si se congela, puedepresentar grandes prdidas de resistencia. Ciertos materiales estabilizados(tratados con cal, cemento y cenizas ligeras de xido de calcio) pueden su.frir daos substanciales si se someten a un gran nmero de ciclos congelacin-deshielo.

Asimismo, la humedad acta sobre las caractersticas de muchos mate-riales. La humqad es un factor de importancia en los daos relacionados


con las heladas. Los suelos de la subrasante y otros materiales de pavimen-tacin se debilitan en forma apreciable cuando se saturan y ciertos suelosarcillosos presentan cambios de volumen substanciales que ha inducido lahumedad.

16-6 Caractersticas de los materialesUn diseo apropiado de los sistemas de pavimento flexible debe abarcarla total interpretacin de las caractersticas esenciales de los materiales quelo forman y de aquellos sobre los que est cimentado. Las caractersticas delmaterial requerido pueden variar, dependiendo de la naturaleza del proce-dimiento de diseo, pero en general, las siguientes son las ms convenientes:

1. Carpeta asfltica: resistencia o estabilidad (posiblemente propieda-des a carga repetidas).

2. Base y sub-base granular: graduacin, resistencia o estabilidad (resis-tencia al corte, o propiedades a carga posiblemente repetidas o ambas).

3. Capas tratadas o estabilizadas: resistencia (a la flexin, a la compre-sin) y propiedad a carga repetidas tales como la fatiga.

4. Subrasante: resistencia o estabilidad, clasificaci6n del suelo, y pro-piedades a carga posiblemente repetidas.

Para determinar las propiedades que se necesiten, se tienen disponiblesmtodos diferentes de prueba estndar. Muchos de los procedimientos deprueba se describen en las pruebas estndar de la ASTM y de la AASHTO(6,7), en tanto que los mtodos para realizar las pruebas de carga repetidasobre pavimento y materiales de la subrasante se estudian en la referencia8. Este libro contiene algunos de los mtodos de prueba tradicionales. Porejemplo, la prueba de estabilidad de Marshall para mezclas de asfaltos seanaliza en la seccin 19-10. Las pruebas de la razn soporte de California(CBR) y de placa se presentan en las secciones 16-7 y 16-8. En la seccin 15.6se estudia brevemente la resistencia al corte.

16-7 Prueba de la razn soporte de California (CBR)El procedimiento de prueba bsico empleado en la determinacin de stafue desarrollado por la Divisin de carreteras de California antes de la IIGuerra Mundial y fue utilizado por dicho organismo en el diseo de pavi-mentos flexibles. Los procedimientos bsicos de esta prueba fueron adopta-dos por el Corps of Engineers of the United States Army durante las primerasetapas de la guerra, y sirvi de apoyo para el desarrollo de curvas de diseoque se emplearon para determinar el espesor requerido de los pavimentosflexibles para las pistas de despegue-aterrizaje y de maniobras de los aero-puertos. Se han hecho ciertas modificaciones en el procedimiento de prue-ba que se ha utilizado en California. Se describir brevemente el mtodomodificado que ha adoptado el Corps of Engineers y que ha sido considera-

DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES 5 7 3

do como el procedimiento estndar en la terminacin de la razn soportede California California beuring rutio. La descripcin se limitar a lo referen-te a la prueba de muestras alteradas en el laboratorio.

La muestra seleccionada del suelo de la subrasante se compacta en unmolde que tiene 6 pulgadas de dimetro y 6 a 7 pulgadas de altura. Se eli-gen el contenido de humedad, la densidad y el esfuerzo de compactacinempleados en el moldeo de la muestra para que correspondan a las condi-ciones de campo esperadas. Despus de que se ha compactado la muestra,se coloca sobre ella una sobrecarga con un peso equivalente al peso estimadodel pavimento y la base, y se sumerge en agua el conjunto durante cuatrodas. Al completarse dicho perodo durante el cual se embebe la muestra, seretira sta del agua y se deja que escurra por un perodo de 15 minutos.La muestra, conservando la sobrecarga que se le impuso, se somete de in-mediato a penetracin mediante un mbolo de 1.95 pulgadas de dimetro, elcual se mueve a una velocidad de 0.05 pulglmin. Se registran las cargas tota-les correspondientes a las penetraciones de 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 y 0.5 pulgadas.

Se traza entonces una curva carga-penetracin, se hacen algunas correc-ciones necesarias, y se determina el valor corregido de la carga unitaria co-rrespondiente a una penetracin de 0.1 pulg. Despus, se compara dichovalor con otro de 1 000 Iblpulg es necesario para producir la misma pene-tracin en roca triturada estndar. Se calcula entonces el valor relativo desoporte (CBR) utilizando la siguiente expresin:

pulg

1 000(100)

(16.1)

En la figura 16-2 se ilustra el equipo necesario para realizar la pruebade la razn soporte de California. Debe tenerse en cuenta que la prueba depenetracin puede efectuarse tambin en el campo o en muestras no alte-radas. En ciertos casos se calcula el soporte de cargas a una penetracinde 0.2 pulgadas en lugar del valor estndar de 0.1 pulgadas. El valor parala roca triturada estndar a una penetracin de 0.2 pulgadas es de 1 500Iblpulg. Los organismos con carreteras a su cargo que utilizan un mtodode disetio basado en el CBR han adoptado diversas modificaciones del pro-cedimiento de prueba bsico.

16-8 Mtodo de la prueba de placaDurante los anos de 1945 v 1946. el De/~~rtnretr/ ofTra~spwl ofCn~a& (Depar-tamento del Transporte de Canad) emprendi una extensa investigacinsobre cierta cantidad de pistas de los aeropuertos principales de Canada.Norman M. YIcLeod (9) present este trabajo. Xls tarde, rIcLeod desarro-llo los resultados de dicho estudio y lo relacion a los mtodos de disenosde pavimentos basados en la teora de la elasticidad (10.1 1). La prueba de

\

ICBR (por ciento) =

carga unitaria a una penetracin de 0.1


FIGURA 16-2 Aparatos para la prueba California Bearing Ratio. (Cortesa de S&l.test, Inc.)

la placa se utiliza para evaluar la capacidad de sustentacin de las subrasan.tes, base y, en algunos casos, pavimentos completos.

En la figura 16.3 se ilustra la disposicin del equipo que se utiliza en laejecucin de la prueba de la placa. Aun cuando se usan diferentes medidaspara las placas de acero, la mayora de las pruebas se llevan a cabo con una placa circular de acero de 1 pulgada de espesor y 30 pulgadas de dimetro. Porlo comn, se usa una cama delgada de arena para que haya una carga unifor-me entre la placa y el material que la soporta. La carga se aplica a la placapor medio de un gato hidrulico de gran capacidad equipado con manme.tros graduados en intervalos de 1 000 2 000 lb. La reaccin a la carga apli.cada por el gato puede suministrarla en cada prueba una unidad cargada talcomo un tractor remolque, una escrepa u otro tipo de equipo pesado.


f

PLACAS APILAOAS

REACCl6N

EXTENShETRO @ 113 DE PUNTOSAPOYO OELEXTENS6METRO

FIGURA 16-3 Equipo usado en las pruebas de comportamiento de placa.

Se mide la deflexin de la placa cargada redondeando las lecturas al0.001 de pulgadas ms prhximo por medio del conjunto de tres extensme-tras. colocados en tres puntos alrededor de la circunferencia de la placa.

Es frecuente que los resultados de las pruebas de placas de carga seexpresen en trminos de un mdulo de reaccin de la subrasante. que se de-termina por la siguiente ecuacin:

k = p/s (16-2)

dondek = mdulo de la reaccin de la subrasante (lblpulg)p = presin de placa (lblpulg)6 = deflexikl de la placa (pulgadas)

16-9 Prueba de carreteras de AASHOLa prueba de carreteras ,4ASHO* fue un proyecto emprendido en coopera-tiva por 49 de los estados, el distrito de Columbia, Puerto Rico, el Bureauqf Puhlic Roads y diferentes grupos industriales con un costo de 27 millonesde dlares; la prueba fue administrada por el Higkcw Reseawh Board.

La construccin empez en abril de 1956 y el trnsito de prueba se ini.ci> en octubre de 1958. Excepto para algunas pruebas especiales, el trnsitosobre los tramos de prueba ces en noviembre de 1960.

La zona de prueba se ubic cerca de Ottawa, Illinois, aproximadamentea 80 millas al sudoeste de Chicago. Las partes ms grandes de la prueba tu-vieron relacin con pavimentos flexibles, pavimentos rgidos y puentes declaros cortos. Slo se utiliz un suelo para subrasante, en las pruebas de pa-vimentos, el A-6.

Los tramos de prueba estwieron formados por cuatro circuitos grandesy dos ms pequeos. Cada circuito era un segmento de carretera dividida de

U en cadaextremo del circuito para que los vehculos pudieran dar vuelta; los tramostangentes de los circuitos grandes tenan una longitud de 6 800 pies.

Cada tangente se construy como una sucesin de tramos pavimenta-dos, arreglados de tal manera que el diseo del pavimento pudiera variarde un tramo a otro. La longitud mnima de cualquier tramo en los circuitosprincipales era de 100 pies.

En los principales tramos de prueba de pavimento flexible, la carpetafue de concreto bituminoso; la base se form con piedra caliza triturada biengraduada; y la sub-base, con una mezcla de grava y arena graduada de ma-nera uniforme.

Los factores de diseo ms importantes en el experimento principalfueron los espesores de la carpeta. En los experimentos principales se ma-nejaron tres espesores diferentes de carpeta en combinacin con otros tresvalores distintos de espesor para la base, variando uno de los seis valorescada vez; cada uno de estos nueve arreglos se combin con tres valores deespesor de la sub-base. Si se toman todos los tramos de prueba como la tota-lidad, entonces se puede decir que la carpeta vari de una a seis pulgadas;el de la base, de cero a nueve pulgadas y el de la sub-base, de cero a diecisispulgadas.

Los experimentos especiales sobre pavimentos flexibles abarcaron otrastres variables de diseo: tipo de la base, tratamiento asfltico superficial ypavimento de los acotamientos. Junto con la piedra caliza triturada, las basesestuvieron formadas por grava no triturada bien graduada, una mezcla as-fltica en planta y un agregado con cemento.

El trnsito de prueba comprendio vehculos de ejes sencillos y dobles,con diez diferentes combinaciones de arreglos en los ejes de carga. Las cargasen los ejes sencillos variaron de 2 000 a 30 000 Ib; las cargas sobre los ejesdobles, de 24 000 a 48 000 lb. Cada tramo de pavimento se prob con unade las diez combinaciones; cada tramo se someti a miles de repeticiones decargas antes de que se considerara fuera de la prueba.

Durante la prueba de carretera, los investigadores formaron cientos demiles de datos. Abarcan observaciones y medidas de las condiciones del pa-vimento (agrietamientos y bacheo realizado para conservar el tramo en ser-vicio), perfil longitudinal y perfil transversal (para determinar surcos y otrasdistorsiones transversales). Otras medidas incluyeron la deflexin de la car-peta bajo la accin de vehculos cargados con movimiento lento, deflexio-nes a diferentes niveles en la estructura del pavimento bajo la accion devehculos manejados a velocidades diversas, curvatura del pavimento bajola accin de vehculos operados a diferentes velocidades, presiones transmitidas a la superficie de la subrasante, y distribucin de la temperaturaen las capas de pavimento.

Los datos reunidos en la prueba se sometieron a un anlisis exhaustivopor parte del personal especializado y por otras instituciones interesadas.

* .5 7 6 DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

cuatro carriles con las vas paralelas conectados por un tramo de


16- 10 Concepto de servicio del pavimentoUno de los logros que se obtuvieron de la prueba de carreteras de la AAS-HO fue el concepto de servicio del pavimento. En esencia, esto compren-de la medida, en terminos numricos de la condicin del pavimento bajoel trnsito, de su capacidad durante su vida (12).

Tal evaluacim puede hacerse sobre la base de una calificacin sistem-tica aunque subjetiva de la superficie de rodamiento por los individuos queviajen por ella. 0 bien, puede evaluarse el servicio del pavimento medianteciertas mediciones hechas sobre la superficie, como se hizo en la pruebade carretera. La calificacin del servicio se hizo en una escala de 0 a 5, co-rrespondiendo el cero a una calificacion Muy Mala y representando el 5 unacalificacin Muy Buena.

Para los pavimentos flexibles, los investigadores establecieron que elndice de servicio (p) en cualquier momento, es una funcibn de la rugo-sidad o de la variacin de la pendiente en las dos trayectorias de las rue-das, la extensin y tipo de agrietamiento (y bacheo) el pavimento y lossurcos del pavimento en la carpeta. El cambio en la pendiente es una ex-presin de las variaciones en el perfil longitudinal o en la rugosidad longi-tudinal.

Al iniciar la prueba, los analistas determinaron que para pavimentos fle-xibles, el ndice de servicio inicial promedio era de 4.2. En trminos genera-les, el valor del ndice declina gradualmente con el trnsito. Cuando elmencionado ndice (medido cada dos semanas) cae de 1.5 en un tramo cual-quiera, se considera que ste queda fuera de la prueba. Un valor de p detal vez 2.5 es un valor intermedio entre el inicia1 de construccin y el de fallapara prestar un servicio adecuado al trnsito.

Ei anlisis de las relaciones entre las variables del pavimento flexible con-sideradas en la prueba dio por resultado una serie de ecuaciones, ningunade las cuales se presenta aqu. La figura 16-4 es una forma de mostrar lasrelaciones entre el ndice de espesor, la carga de eje y el nmero de aplica-ciones de la carga. El ndice de espesor expresa la eficacia total de la estruc-tura de las capas de pavimento (vase la figura 16-4).

Como un ejemplo del uso de esta grfica, supngase que se desea de-terminar la estructura de un pavimento que pueda soportar 1 milln deaplicaciones de una carga de 22 400 Ib, en ejes sencillo, antes de que sundice de servicio caiga a 2.5. De la figura 16.4, se obtiene el ndice de es-pesor que es aproximadamente 4.5. Habr muchas combinaciones de unacarpeta de concreto asfltico, una base y una sub-base que satisfagan lascondiciones de la ecuacin del ndice de espesor. Una de tales combi-naciones es la siguiente, 4 pulgadas de concreto asfltico, 10 pulgadas depiedra triturada en la base, y 12 pulgadas de arena-grava en la sub-base.La figura 16.4 no se emplea en el diseo, pero puede servir de base parael desarrollo de procedimientos tales como el que se detalla en la sec-cin 16.1 1.


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FIGURA 164 Relaci

DISENO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES 579

de pavimentos rgidos y flexibles (13), coincidiendo con la publicacin delos resultados de la prueba de carreteras. En el ao 1972 se public una Zn-terim Design Cuide (Gua provisional de diseo) revisada (3).

El Comit AASHO acept el concepto de servicio del pavimento (sec-cin 16-10) y las ecuaciones bsicas desarrolladas en la prueba de carreterasin modificarlas. No obstante, para que el procedimiento fuera til se tenaque ampliar la ecuacin para que abarcara el trnsito mezclado y los luga-res donde los suelos, materiales y el clima fueran diferentes a los que se te-nan en los sitios de prueba.

Resultado del trabajo del comit fue la grfica de diseo de la figura16-5 la cual se aplica a las carreteras principales con un valor aceptable delndice de servicio del pavimiento (p) de 2.5 despus de 20 aos de servicio.La grfica incorpora escalas para el factor regional (R), el equivalente dia-

- 10

- 9

-6

v1

-'tiz

; 6

c"$ -5

Z-

8 -4

8-

3 -)

- 2

-1

ssF5Q 0.5

8+ 2.0

,t

1 . c

y 5.0

W

FIGURA 16-5 Monograma AASHTO para el diseo de pavimentos flexibles. (Cor-tesa de la Ameritan Associatiun of State Highway and Transportation Oficials.)


rio o total (para el perodo de diseo) de aplicaciones de la carga en un ejesencillo de 18 kilolibras, valor del soporte del suelo (S), nmero estructural(TN, y nmero estructural ponderado (SN). Abajo se resumen las observa-ciones importantes relativas a cada una de dichas cantidades.

1. Factor regionalEl factor regional se incluy en este mtodo para aplicarse al diseo de

pavimentos en reas con condiciones climticas y ambientales diferentesde las que se tienen en el sitio de la prueba de carreteras. El factor regionalacepta que la capacidad de un pavimento para soportar una carga que sedesplaza en una funcin del medio ambiente; por ejemplo, el trnsito le pro-duce un dao mayor al pavimento durante el deshielo primaveral, cuandoel suelo de la subrasante est saturado, que en cualquier otra poca. El co-mit sugiri algunos factores para ponderar las aplicaciones de trnsito endiferentes estaciones del ao, para tomar en cuenta las variaciones genera-les de este tipo en la resistencia de los suelos para subrasante.

En la grfica de la figura 16-5, un factor regional de 1.0 no tiene efectosobre el nmero estructural. Un valor por arriba de 1.0 incrementa el n-mero estructural, es decir, se requiere un pavimento de mayor espesor paralos mismos valores del soporte del suelo y aplicaciones del trnsito. Un fac-tor regional inferior a 1.0 es una condicin favorable, que permite una es-

.*FIGURA 16-6 Mapa regional generalizado de Estados Cnidos. (Cortesa del Natio-nal Cooperative Highway Research Program Transportation Research Bonrd.)


tructura ms delgada del pavimento. El comit sugiri que los valores puedenvariar de 0.5 a 3.0 en la parte continental de Estados Unidos. En la figura16-6 se ilustra los valores del factor regional recomendado a partir de losresultados de un estudio reciente (4).

El factor regional tambin puede tomar, en cuenta condiciones tan des-favorables como son un nivel fretico alto, pendientes pronunciadas y reascon movimientos concentrados de vuelta o de alto. El ajuste del factor paraestas condiciones es cuestin de criterio.

2. Aplicaciones de cargaEl comit manej el problema de la mezcla del trnsito adoptando en

principio una carga por eje sencillo de 18 000 libras como norma, y desa-rrollo despus una serie de factores equivalentes para cada grupo de car-gas por ejes. Si se puede separar el trnsito del diseo en grupos de cargaspor ejes, se puede multiplicar el nmero de aplicaciones en cada grupo porel factor de equivalencia para determinar el nmero de cargas de 18 000libras soportadas por el eje que produciran un efecto equivalente sobre laestructura del pavimento (si se desea, puede escogerse como norma algngrupo de carga por eje diferente del de 18 000 libras).

La escala de la figura 16-5 correspondiente al trnsito est expresadacomo aplicaciones de la carga que soporta el eje de 18 klb, diariamente oen total (para el perodo de diseo). El comit tabul factores equivalentespara una gama de cargas por eje, nmeros estructurales y valores p. En lareferencia 4 se pueden encontrar dichos valores.

3. Valor del soporte del sueloLa escala que representa este valor se iIustra en la figura 16-5, y se esta

bleci por la experiencia y por los dos valores numricos establecidos enla prueba de carretera: 3.0 para la subrasante en ese lugar y 10.0 para la ba-se de piedra triturada.

Si se conocen el valor del soporte del suelo, el trnsito equivalente yel factor regional se puede encontrar el nmero estructural en la figura 16-5.El procedimiento recomendado por el comit para determinar el espesorde las diferentes capas en un pavimento flexible a partir del nmero estruc-tural, es el mismo que se explic en la seccin 16-10. La siguiente ecuacinse utiliza para determinar el espesor de las diferentes capas que tienen coe-ficientes especificados para la capa:

S N = a,D, + a& + a& (16-3)

dondeSN = nmero estructural (igual que el ndice de espesor; figura 16-4).

ai, a2, a3 = coeficiente decapa, representativos de la carpeta, base y sub-base de la carretera, respectivamente.


DI, D2, D3 =espesor real, en pulgadas, de la carpeta, base y sub-base de lacarretera, respectivamente.

Ntese que en la Prueba de carretera AASHO, los coeficientes paralas capas fueron 0.44, 0.14 y 0.11, para concreto asfltico, piedra caliza es-tructurada y arena-grava, respectivamente. En la tabla 16-1 se presentan loscoeficientes tpicos para las capas en los diferentes materiales para la pavi-mentacin.

16-12 Mtodo Cal i forn ia El Calijknia Department of Transportation utiliza en la actualidad otro mtodoms para disear espesores. (14,15). El desarrollo original de tal mtodo dediseo tuvo como base las siguientes consideraciones.

TABLA 16.1 Coeficientes de capa estructurales, propuestos porel Comit sobre diseno de la AASHO, 12 de octubre de 1961.

Partes del pavimento CoefK&wte

CarpetaMezcla de agregados asflticos(baja estabilidad)Mezclado en planta (alta esta-bilidad)Arena asfalto

B a s eGrava arenosaPiedra trituradaTratada con cemento (no suelo cemento)

Resistencia a la compresin @ 7 das650 Iblpulg o ms.400 Iblpulg a 650 Iblpulg400 Iblpulg o menos

Tratada con material bituminosoGruesos graduadosArena asfalto

Tratada con cal

Sub-baseGrava arenosaArena o arcilla arenosa

0.20

0.44h0.40

0.070.14

0.230.200.15

0.340.30

0.15-0.30

O.llh0.05-0 .10

Se supone que cada organismo con carreteras a su cargo estudiar los coefi.fentes y har los cambios que le dicte su experiencia.

Establecido a partir de los datos de la prueba de carreteras AASHO.Este valor se calcul a partir de los datos de la prueba de carreteras AASHO. perono tiene la precisin de los que estn marcados con la letra 6.

FUENTE: MSHO Interim Gui

DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES 5 8 3

En este mtodo, en lugar de suponer que la carga rodante se encuentradistribuida o repartida sobre cierta rea que vara con la profundidad delpavimento, base o sub-base, se supone que tanto la carpeta como la capabase se deben disear para resistir el empuje potencial hacia arriba de lasubrasante en los puntos adyacentes, pero del lado exterior, el rea que enrealidad est soportando la carga. Este enfoque tiene como base la tenden-cia observada en las partculas de cualquier capa a desplazarse a lo largode una trayectoria curva y ejercer as un empuje hacia arriba contra la baseo carpeta. En la figura 16-7 se ilustra el principio implicado en dicho con-cepto para una falla que abarca el desplazamiento del suelo de la subrasan-te. La idea es que el efecto al aplicar una carga sobre un rea limitada yapoyada en un lecho de material granular es forzar una masa en forma decono del material subyacente, desplazando lateralmente y hacia arriba el ma-terial adyacente. Con este anlisis, la presin sobre algunos planos bajo lasuperficie puede ser mayor que la que existe en sta. La prctica actual delmtodo California proviene de las relaciones empricas desarrolladas a par-tir de los tramos de prueba y otros experimentos, ms las observaciones he-chas en las carreteras en servicio.

La ecuacin general empleada en el mtodo California es

GE = O.O032(TI)( 100-R) (16-4)

dondeTI = ndice de trnsitoR = valor de la resistencia del suelo o capa bajo el pavimentoGE = espesor del pavimento en trminos del equivalente de grava (pies)

C A R G A D E L A L L A N T A

L E V A N T A M I E N T OC A R P E T A Y D E I

DE LAlA GASE

/ FIGURA 16-7 Falla del suelo de cimentacin, mtodo California. (Hveem).


El valor de la resistencia R del suelo se determina por medio del mto-do de prueba del estabilmetro (15). En pocas palabras, el estabilmetro esuna celda capaz de medir la presin lateral producida por la aplicacinde una carga vertical a una masa de suelo confinada. El espcimen de prue-ba es de 2.5 pulgadas de altura y de 4 pulgadas de dimetro. Los materialesse clasifican en una escala de 0 a 100 en proporcin a su capacidad parasoportar la carga sin transmitir la presin a las paredes laterales del instru-mento. Por lo tanto, un lquido tendr un valor R igua! a 0 en la escala decargas aplicadas..

Normalmente, los pavimentos se disean para servir al trnsito estima-do de camiones en una direccin para un perodo de diseo de 20 aos des-pus de la construccin. Las estimaciones del trnsito de camiones se basanen conteos reales que se clasifican por grupos de ejes. Con objeto de calcu-lar los volmenes de camiones para el perodo de diseo de 20 aos, losconteos de camiones aplicables se expanden al ao promedio del perodode diseo. El ao promedio sera 10 aos despus de que se construye elproyecto y se abre al trnsito.

El trnsito para cada grupo de ejes (dos ejes, tres ejes, etc.) que se presen-ta durante el perodo de diseo se expresa en trminos de cargas equivalen-tes a 18 kilolibras que soporta un eje sencillo (CEES). El clculo de los valoresde CEES incluye la multiplicacin del trnsito de camiones expandido diariopromedio por las siguientes constantes de carga equivalente por ejes:

Nmero de ejes Constantes CEE.7 para 20 arios

2 1 3 8 03 3 6804 5 8805 0 ms 1 3 7 8 0

Entonces se suman los valores de CEES y se expresan en trminos de unndice de trnsito (TI), con el uso de una tabla de conversin o con la si-guiente ecuacin:

TI = 9.0(EAL/106)o~1 lg (16-5)

El procedimiento de diseo descrito da un espesor total terico que seexpresa en trminos de equivalencia de grava (GE). El espesor terico delas capas individuales debe convertirse al espesor real utilizando los facto-res de equivalencia de grava, los cuales se dan en la tabla 16-2.

TABLA 16-2 I

(GJ)

Espesor real de la(GJ)

CaPa Ws) 1 . 7 1.1 1 . 0 1 . 9

0.10 - - - -0.15 - - -

0.20 - - - -

0.25 - - -

0.30 - - - -

0.35 0 . 6 0 0.39 0 . 3 5 0 . 6 70.40 0 . 6 8 0 . 4 4 0 .40 0 . 7 60.45 0 . 7 7 0 . 5 0 0 .45 0 . 8 60.50 0 . 8 5 0 . 5 5 0 . 5 0 0 . 9 50.55 0 . 9 4 0 . 6 1 0 . 5 5 1 . 0 5

0.60 1 . 0 2 0 . 6 6 0 . 6 0 1 . 1 4o.ti5 1.11 0 . 7 2 0 . 6 5 1 . 2 40.70 1 . 1 9 0 . 7 7 0 . 7 0 1 . 3 30.75 1 . 2 8 0 . 8 3 0 . 7 5 1 . 4 30.80 1 . 3 6 0 . 8 8 0 . 8 0 1 . 5 2

0.85 1 .45 0 . 9 4 0 . 8 5 1 . 6 20.90 1 . 5 3 0 . 9 9 0 . 9 0 1.71KY5 1 . 6 2 1 . 0 5 0 . 9 5 1.811.00 1 . 7 0 1 . 1 0 1 .oo 1 . 9 01 . 0 5 1 . 7 9 1 . 1 6 1 . 0 5 2 . 0 0

Notar: Cl-B. base tratada con ctmmto; ATB, base tratada cm [email protected]; CS, sudo cmen10; LCB, base & mnmeto @re. Valmes R: base tratada con cementode che ll, 80; base de agregdas, 78; sub-base de agregados, clase 1, 60; subbaw de agwgadm, clase 2, 50; sub-base dt agvgados, ciase 3, 40.li(ww Highway Dmign Manual, lart 7.651. Wifomia Department of Transportatim (1 de diciembre, 1981).

uivalentes de grava de las capas estructurales (pies).Concreto afltico

ndice de trnsito (Tl) Clase BC T B ,

5 Y 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 10.5 11.5 1 2 . 5 13.5 1 4 . 5 ATB,nems 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 cs

Y m4.s UPFactor equivalente de grava (G,) q

2 . 5 0 2 . 3 2 2 . 1 4 2 . 0 1 1 . 8 9 1 . 7 9 1 . 7 1 1 . 6 4 1 . 5 7 1 . 5 2 1 . 5 0 1 . 2

0 . 2 5 0 . 2 3 0 . 2 1 0 . 2 0 0.19 0 .18 0 .17 0 .16 0.16 0.15 0.15 -0 . 3 8 0 . 3 5 0 . 3 2 0 . 3 0 0 . 2 8 0 . 2 7 0 . 2 6 4.25 0 . 2 4 0 . 2 3 0 . 2 2 -

0 . 5 0 0 . 4 6 0 . 4 3 0 . 4 0 0 . 3 8 0 . 3 6 0 . 3 4 0 . 3 3 0 . 3 1 0.30 0.30 -0 . 6 3 0 . 5 8 0 . 5 4 0 . 5 0 0 . 4 7 0 . 4 5 0 . 4 3 0 . 4 1 0 . 3 9 0 . 3 8 0 . 3 7 -

0 . 7 5 0 . 7 0 0 . 6 4 0 . 6 0 0 . 5 7 0 . 5 4 0 . 5 1 0 . 4 9 0 .47 0 .46 0 .45 -

0 . 8 5 0.81 0 .75 0 .70 0 .66 0 .63 0 .60 0 .57 0.55 0.53 0.52 0.421 . 0 0 0 .93 0 .86 0 .80 0 .76 0 .72 0 .68 0 .66 0.63 0 . 6 1 0.60 0.48- 1.04 0 .96 0 .90 0 .85 0 .81 0 .77 0 .74 0 . 7 1 0.68 0.67 0.54- 1.16 1 .07 1 .01 0 .95 0 .90 0 .86 0 .82 0.79 0.76 0.75 0.60- - 1.18 1.11 1.04 0.98 0.94 0.90 0.86 0.84 0.82 0.66

- - - 1 . 2 1 1 . 1 3 1 . 0 7 1 . 0 3 0 . 9 8 0.94 0 . 9 1 0.90 0.72- - - 1 . 3 1 1 . 2 3 1 . 1 6 1 . 1 1 1 . 0 7 1 . 0 2 0.99 0.97 0.78- - - - 1 . 3 2 1 . 2 5 1 . 2 0 1 . 1 5 1 . 1 0 1 . 0 6 1 . 0 5 0.84- - - - - 1 . 3 4 1 . 2 8 1 . 2 3 1 . 1 8 1 . 1 4 1 . 1 2 0.90- - - - - 1 . 4 3 1 . 3 7 1 . 3 1 1 . 2 6 1 . 2 2 1 . 2 0 0.96

- - - - - 1 . 5 2 1 . 4 5 1 . 3 9 1 . 3 3 1 . 2 9 1 . 2 7 1 . 0 2- - - - - - 1 . 5 4 1 . 4 8 1.41 1 . 3 7 1 . 3 5 1 . 0 8- - - - - - - 1 . 5 6 1 . 4 9 1 . 4 4 1 . 4 2 1 . 1 4- - - - - - - 1 . 6 4 1 . 5 7 1 . 5 2 1 . 5 0 1 . 2 0-7 - - - - - - - 1 . 6 5 1 . 6 0 1 . 5 7 1 . 2 6

ClaseA

CTB LCB


La frmula de diserio para pavimentos flexibles no admite espesores decapa deficientes que podran provenir de tolerancias permisibles en las es-pecificaciones estatales. Por lo tanto, es necesario sumar un espesor a losdiseos y esto se hace con la suma de un factor de seguridad expresado entrminos de equivalente de grava. No es necesario aplicar un factor de segu-ridad al espesor total de la seccin; en vez de ello, se aumenta el equivalentede grava de la carpeta o de la base y se disminuye el equivalente de grava dela sub-base. En la tabla 16-3 se muestran los factores de seguridad recomen-dados por el California Department of Transportation.

En el mtodo California se manejan dos casos. El primer caso se presenta cuando el material de subrasante es expansivo. El procedimiento de diseoimplica la determinacin de diferentes valores de R para dicho material,el cual variar con el contenido de humedad y la seccin estructural supues-ta. Estos diseos se prueban en el laboratorio por medio de un procedimientoque es demasiado detallado para incluirse aqu.

El segundo caso y el ms usual, es uno en el cual se especifican los valo-res R de la base y de la sub-base y puede determinarse el mnimo valor Rdel suelo de cimentacin porque, bajo el peso de cualquier seccin estruc-tural basado en la carga del trnsito, el suelo de cimentacin no ser expan-sivo. En tal caso, no es necesario suponer una seccin estructural en laejecucin de los clculos de laboratorio para obtener el valor de R. De estamanera pueden determinarse fcilmente diseos diferentes y, por lo tanto,la seccin ms econmica.

Considrese el siguiente ejemplo ilustrativo.

EJEMPLO 16-1 Disetio de un pavimento por el mtodo California. De-be disearse un pavimento flexible para una carretera dividida de ocho ca-rriles, dadas las siguientes condiciones:

l Valor de R para la base de agregado = 78l Valor de R para la sub-base de agregado = 50l Valor de R para el suelo de cimentacin = 10

TABLA 16-3 Factores de seguridad recomendados para el mtodo californiaAumento en cl C a p a

Tipo de bare equivaknte de grava (pies) aplicada a

Base tratada con cemento clase A 0.24 Base tratada con cementoBase tratada con cemento clase B 0.18 Concreto asflticoBase tratada con asfalto 0.18 Concreto asflticoBase tratada con cal 0.18 Concreto asflticoSuelo cemento 0.18 Concreto asflticoBase de agregados 0.16 Concreto asflticoFrt.hrt Highway Design Manual, Part 7-651. California Dcpartment o/ Transportation (1 de diciem-bre, 1981).


El promedio diario de camiones expandido para los carriles exteriores* es

Tipo de vehculo Nmero de camiones promedio diario

Camiones d e 2 ejesCamiones d e 3 ejesCamiones d e 4 ejesCamiones de 5 ejes oms

935

550225

1025

Solucin. Las cargas equivalentes a 18 kilolibras que soporta un eje sencillo(CEES) se calculan como sigue:

Por la ecuacin 16-5,

TI = 9.0(18.7618)~g = 12.75

El equivalente de grava, GE, requerido para la capa superficial de con-creto asfltico se calcula con la ecuacin 16-4:

GE = 0.0032(12.75) (100 - 78) = 0.89 pies

De la tabla 16-3, se suma un factor de seguridad de 0.16, que resulta enun valor ajustado de GE de 1.05 pies. De la tabla 16-2, bajo el encabezadode columna (Tl) 12.5 y 13.0, el valor ms cercano a 1.05 es 1.02. Si se lee

Carriles exteriores

(1)Tipo &vehculo

(2)Constante

CEES para20 aos

(3) (4)Trnsito de CEES total

camiones para 20expandido aos

diario promedio (col. 2 x col. 3)

Camiones d e dos ejes 1 380 935 1 290 300

Camiones d e tres ejes 3 680 550 2 024 000

Camiones de cuatro ejes 5 880 225 1 323 000

Camiones de cinco ejes o ms 1 3 780 1025 1 4 124 500

Totales - - 1 8 7 6 1 800

* Para proyectos con tres o ms carriles en una direccin, se recomienda que se hagan diseospor separado para los carriles interiores y exteriores. que conduzcan a escalones en los fondosde la carpeta y la base.


horizontalmente hacia la izquierda en la primera columna, el espesor ver-dadero de la capa es 0.65 pies.

Si se usa nuevamente la ecuacin 16-4, el equivalente de grava requeri-do de la carpeta y la base combinadas es 2.04 pies. Si se suma el factor deseguridad de 0.16 pies requerido para la pavimentacin, el equivalente de grava total requerido sobre la sub-base es 2.20 pies. Rstese 1.02 (el GE de los0.65 pies verdaderos del concreto asfltico seleccionado) de 2.20 para unequivalente de grava requerido de 1.18 pies para la base de agregados.

De la tabla 16-2, bajo el encabezado de columna base de agregados,el valor ms cercano a 1.18 pies es 1.16, la ltima cifra en la columna. Estocorresponde a un espesor verdadero de 1.05 pies de base de agregados.

Con la ecuacin 16-4 y el valor de R, que es de 10 para el suelo de ci-mentacin, el equivalente total de grava es 3.67 pies. Si se resta la suma delos equivalentes para el pavimento y la base, el equivalente de grava reque-rido es 1.49. Como el factor equivalente de grava(Gf) es 1.0 en el caso dela sub-base y todas las capas estn calculadas a los 0.05 pies ms cercanos,el espesor real de sub-base es 1.50 pies.

La seccin pavimentada resultante es:

l Carpeta 0 . 6 5 p i e sl Base 1.05 pies. Sub-base 1.50 pies

Pueden prepararse otros diseos con los materiales disponibles, com-pararse costos y seleccionar un diseo final.

16- 13 Mtodo del Asphalt InstituteEl Asphult htitute ha publicado un manual de diseo de espesores de pavi-mento (17) que caracteriza al pavimento asfltico como un sistema elsticode capas mltiples. Con el uso de la teora establecida, la experiencia y losdatos de prueba, los ingenieros del instituto idearon un mtodo de diseoestructural de espesores adecuado para diferentes pavimentos asflticos.

El mtodo se basa en dos condiciones supuesta de esfuerzo-deformacin:

1. La carga de la rueda, W, se transmite a la superficie del pavimentopor la llanta como Ina presin vertical uniforme Po. Entonces, losesfuerzos se distribLyen por la estructura del pavimiento para pro-ducir un esfuerzo vertical mximo reducido, P, en la superficie dela subrasante. (Vase la figura 16-8)

2. La carga de la rueda, W, hace que la estructura del pavimento se de-forme, creando tanto esfuerzos de compresin como de tensin enla estructura del pavimento. (Vase la figura 16-9). En la creacin delprocedimiento de diseo, los ingenieros del Asphalt Znstitute calcula-

DISENO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES 589

Carga, W

/ \E s t r u c t u r a d e l ,, \\

pavimento, / .

Subrasante

FIGURA 16-8 Distribucin de la presin de carga de la llanta en la estructura delpavimento (Cortesa de The Asphalt Zmtitute.)

ron las deformaciones horizontales inducidas por tensin E,, en elfondo de la capa de asfalto y las deformaciones verticales por com-presin, cr, en la parte superior de la subrasante. (Vase la figura1610.)

Carga, W

p a v i m e n t o -

- Compresibn - Tensidn

FIGURA 16-9 Resultado de la deformacin del pavimento como esfuerzos detensin y de compresin en la estructura del pavimento (Cortesa de The .4sphalt

1 hstittde.)

590 DISEfiO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

Carpeta o base tratada con asfalto

Subrasante

FIGURA 16-10 Deformaciones en un pavimento flexible.

As, el mtodo considera dos de los modas de falla que ocurren mscomnmente, relacionados con el trnsito, en los pavimentos flexibles: lafractura o resquebrajamiento de la capa tratada con asfalto, especialmentela carpeta, y la distorsin o formacin de surcos en la subrasante y en lasotras capas del sistema de pavimento.

Se us un programa de computadora (llamado DAMA) para determi-nar los espesores en el caso de los dos criterios de deformacin. Los mate-riales en las capas de pavimento se caracterizaron con un mdulo deelasticidad y una razn de Poisson. Se seleccionaron valores especficos de es-tas caractersticas basndose en la experiencia y en extensas pruebas delaboratorio. Se calcularon dos espesores, uno para cada valor crtico de defor-macin, con diferentes combinaciones de los valores de subrasante y carga. Seus el mayor de los dos valores para preparar cartas de diseo de pavimen-to tal como la que se muestra en la figura 16-11.

El manual de diseo de espesores del Asjhzlt Znstitute (17) incluye cartasde diseo para diez tipos de estructuras de pavimento:

1. Concreto asfltico de profundidad total que utiliza un concreto as-fltico tanto para la carpeta como para la base.

Carga equivalente a 18 000 libras que soporta un eje sencillo (CEES)

FIGURA 16-11 ( ;;II?;I dc diseo de /he A.@dl Inslilute para un pavimento con una base de agregado sin tratar de 8 pulgadas.((hrtesa de The Asfihalt fnstitute.)


2 .

3 .

4 .

5 .

Mezclas de asfalto emulsionado (tipo 1) elaborados con agregado gra-duado, procesado y denso y una emulsin asfltica.Mezclas de asfalto emulsionado (tipo 2) hecha con agregados semi-procesados, piedra sin cribar, grava en bruto o grava de banco sinclasificar y una emulsin asfltica.Mezcla de asfalto emulsionado (tipo 3) hecha con arenas o arenas li-mosas y una emulsin asfltica.Concreto asfltico sobre una base de agregados sin tratar con espe-sores de 4, 6, 8, 10, 12 y 1Kpulgadas.

Anlisis del trnsitoEl As@zlt Znstitute recomienda que los efectos del trnsito en el diseo

estructural de pavimentos es exprese en trminos del nmero de cargas equi-valentes a 18 000 libras que soporta un eje sencillo (CEES). Este enfoque,que es similar al recomendado por AASHTO (3) incluye los siguientes pasos:

1. Estimar el nmero de vehculos de tipos diferentes (tales como auto-mviles de pasajeros, camiones de una sola unidad y camiones de uni-dades mltiples de diferentes tamaos y configuraciones) que seespera que usen el pavimento propuesto para el perodo de diseo.Durante el perodo de diseo, se supone que el pavimento soportalos efectos acumulados del trnsito y suministra una calidad satisfac-toria de viaje sin rehabilitaciones importantes. El diseador deberconsiderar el aumento en el trnsito, basando la tasa de aumento enlos registros anteriores del camino dado o una carretera similar. Sise supone una tasa compuesta de aumento, el volumen total de trn-sito esperado durante el perodo de diseo es

T =(1 + r)n - 1 1 Tlr (16-6)

dondeT, = volumen de trnsito durante el primer ao.

r = tasa de aumento expresada como fraccin.n = perodo de diseo (aos).

2. Estimar el porcentaje de trnsito total de camiones que se espera queusen el carril de diseo. (El carril de diseo es el carril que se esperaque reciba el servicio ms severo.)

Esta estimacin se puede hacer a partir de las observaciones deltrnsito para la carreta especfica o de la tabla 16-4.

3. Para cada clase de peso, determinar el factor de camin, el nmero deaplicaciones de carga equivale a 18 000 libras sobre un eje sencillo


Tipo devehculo

Nwo devehculos

Factores decamin

Productos

Camiones individualesDos ejes, cuatro llantasDos ejes. seis llantasTres ejes o ms

Semirremolques y combinacionesTres ejesCuatro ejesCinco ejes 0 ms

87 600 X 0.02 = 1 75023 600 X 0.19 = 4 480

4 400 X 0.56 = 2 460

2 I OO X 0.51 = 1 1807 300 X 0.62 = 4 530

.50 200 X 0.94 = 47 190CEES = suma = 61 590

que es con lo que contribuye un vehculo cada vez que pasa. Los fac-tores de camin se pueden calcular o estimar con la tabla 16-5. Losfactores de camin se calculan al multiplicar el nmero de ejes encada clase de peso por un factor de equivalencia & carga apropia-do, sumar los productos para las diferentes clases de peso y dividir lasuma entre el nmero total de vehculos incluidos. El factor de equi-valencia de carga es el nmero de aplicaciones de carga equivalentesa 18 000 libras sobre un eje sencillo que es con lo que contribuye unvehculo de un solo eje cada vez que pasa. En la tabla 16-6 se dan fac-tores tpicos de equivalencia de carga.

EJEMPLO 16.2 Clculo de las aplicaciones de carga equivalente a18 000 libras. Durante el primer ao de servicio, se espera que unpavimento soporte las siguientes cantidades de vehculos en las cla-ses mostradas. Estimar cuntas aplicaciones de carga equivalente a18 000 libras soporta un eje sencillo (CEES).

TABLA 16-4 Porcentaje del trhsito total decamiones en el carril de diselio.

Nmero de carriles Porcentaje dede tr7asito (dos camiones en el

direcciones) carril & diseo

2 504 4 5 (35-4ap6 6 ms 4 0 (25-48)

rx Intervalo probable


TABLA 16-5 Distribucibn de factores de camin para diferentes clases decarreteras y vehculos en los Estados Unidos

Tipo o!e sistema & carretera

Tipo &vehculo Rural interestatal Otra5 rurales U r b a n a

Camiones individualesDos ejes, cuatro llantas 0.02 0.02 0.03Dos ejes, seis llantas 0.19 0.21 0.26Tres ejes o ms 0.56 0.73 1.03

SemirremolquesTres ejesCuatro ejesCinco ejes 0 ms

TABLA 16-6 Factores tpicos de equivalencia de carga

Carga bruta por Ejes Ejeseje (Ib) individuales del remolque

5 00010 0001 5 0 0 020 00025 00030 00035 00040 00045 00050 00055 00060 00065 00070 00075 00080 000

0.005000.08770.4781.513 .536 .97

12.5021.0834.0052.88

0.006880.03600.12060.3080.6581.232 .083 .274 .866 .939 .59

12.9617.1922.4728.99

a 1 t b f = 4 . 4 4 8 2 N

Fcmn.: Tkicknm Llesign-Aspkdf Pawments for Higkwny.> and Sfrwtr. Xfanu;dSeries No. 1, The Asphalt Institute. Coltege Park. Md. (tY8t).

DISENO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES 5%

EJEMPLO 16-3 CEES de diseo para un perodo de diseiio de 20 aos. Siel trnsito que usa el pavimento aumenta una tasa anual de 4 por ciento,determinar el CEES de diseo para un periodo de diseo de 20 aos.

Por la ecuacin 16-6

CEES d e diseo (1+

0.04)- 1

= 1 6 1 590 = 1 834 0000.04

Ntese que si se espera que el trfico aumente no uniformemente entre lasclases de peso, la ecuacin 16-6 deber aplicarse a cada clase de peso usandotasas apropiadas de aumento.

Evaluacin de materialesEn el procedimiento de diseo de pavimentos del Asphalt htitute, la re-

sistencia de la subrasante se caracteriza por su mdulo de elasticidad o rndu-lo de resiliencia. En el mtodo estndar de prueba para el mdulo de resilienciade los suelos de terracera (7), un espcimen especialmente preparado y acondi-cionado se sujeta a la aplicacin repetida de un esfuerzo axial desviador demagnitud, duracin y frecuencia fijas. Curante la prueba, el espcimen se su-jeta a un esfuerzo esttico generalizado en una cmara de compresin tria-xial. La prueba est diseada para simular las condiciones que existen enpavimentos sujetos a cargas mviles por ruedas. La norma AASHTO T274-82(7) da los procedimientos detallados para la prueba.

El Asphalt Institute tambin ha publicado ecuaciones con las cua!es es po-sible estimar el mdulo de resiliencia de los resultados de los valores de prue-ba de CBR o R (17). Las ecuaciones son

M, (Ihlpulg) = 1 500CBRM, (Iblpulg) = 115 + 555(valor R)

El mtodo del Asphalt hstitute recomienda que el mdulo de resiliencia dediseo para la subrasante M, se base en el nivel esperado de trnsito, ex-presado en CEES. Para asegurar un diseo ms conservador, se usan valoresms bajos de M, para valores ms altos de trnsito previsto. Especficamen-te, se recomienda que el,.mdulo de resiliencia se obtenga para seis a ochomuestras de la subrasante. Luego, los resultados se arreglan en orden ascen-dente y se grafican como una distribucin acumulada segn se ejemplificaen la figura 16-12. Se escoge en la curva entonces el mdulo de resilienciade diseo de la subrasante como el valor para el cual el 60, 75 o el 87.5 porciento de los valores son iguales o mayores. El percentil aplicable dependedel nivel de trnsito (CEES) como se muestra en la tabla 16-7.

1 16-14 Mtodo de disello de la National Crushed Association1 La Nutional Crushed Associution (NCSA)(Asociacin Nacional de Piedra Tritu-i rada) ha adoptado un mtodo de diseo para pavimento flexible con un


% 60-

BZE0 6 0 -

=B. -

. ) 4 0E2IE

2 0 -

ol&M,. Iblpulg*

FIGURA 16-12 Distribucin caracterstica de los resultados de prueba del mdulode resiliencia de la subrasante. (Cortesa de 7% As@~alt Institute.)

patrn muy relacionado al mtodo CBR por el U.S. Army corps of En@-neers.

Con este mtodo se logra proporcionar un espesor y calidad de mate-rial adecuados para prevenir deformaciones repetitivas al corte dentro decualquier capa. Adems, en caso de ser pertinente para un diseo particu-lar, se puede tomar en cuenta el factor climtico de congelacin.

El factor trnsito se incorpora al diseo utilizando el ndice de diseo.Con base en la cantidad de cargas equivalentes a 18 kilolibras que soportaun eje sencillo por carril por da (CEES), se asignan diferentes categorasde ndice de diseo. Se pueden hacer las equivalencias de carga AASHTOo un estimado del CEES. Entonces, con la tabla 16-8 se obtiene el ndice dediseo apropiado.

TABLA 16-7 Lmites de diseho para lasubrasante

CEES del Valor del percentilnivel de para el diseotrfuo de la subrasantc

lo4 0 menos 60Entre lo4 y 10 75lo6 0 ms 87.5

FUXS~L Thickwss Iksign- Asphdl Pawmmls fi tti&wuy.s ntrdStr&.s. Manual Series No. 1, The Asphalt Institute, College Park,Md. (1981).


TABLA 16-8 (18) Categora del indice de diserio para trnsito

ndice dediseiio Carder general

DI-l Trnsito ligero (pocos vehculos ms pesados que los

DI-2

DI-3

DI-4

DI-5

DI-6

de pasajeros, no hay uno regular por parte de losvehculos de los grupos 2 3).

Trnsito mediano-ligero (similar a DI-l, mximo 1 000VPD, incluyendo no ms del 5 por ciento del grupo 2,no hay uso regular por los vehculos del grupo 3).

Trnsito mediano (mximo 3 000 VPD, incluyendo noms del 10 por ciento de los grupos 2 y 3, 1 porciento de los vehculos del grupo 3).

Trnsito mediano-pesado (mximo 6 000 VPD, incluyendono ms del 15 por ciento de los grupos 2 y 3, 1 por ciento

de los vehculos del grupo 3).Trnsito pesado (mximo 6 000 VPD, puede incluirse has-

ta el 25 por ciento de los grupos 2 y 3, 10 por cientode los vehculos del grupo 3).

Trnsito muy pesado (ms de 6 000 VPD, puede incluirms del 25 por ciento de los vehculos de los grupos 2 3).

CEESdiario

5 6menos

6-20

21-75

76-250

251-900

901~3000

CEt:S = Cargas equivalentes de 18 kilolibras que soporta el eje en el carril de diseo, se usa el promediofiario sobre la esperanza de vida de 20 aos con mantenimiento normal.

VPD = vehculo por dia. todos los tipos, utilizando el carril de diseo. Vase en el texto la descripcibn de los grupos de vehculos 1, 2 y 5.

El valor del soporte del suelo indica el espesor de diseo bsico del pavi-mento flexible para una clase de servicio dado. Para evaluar la resistenciade la subrasante se utiliza la prueba CBR. En el procedimiento NCSA, la re-sistencia de diseo est dada por el CBR, para el cual el 75 por ciento dela subrasante tiene un valor igual o mayor. En la tabla 16-9 se presentan lascuatro categoras del soporte del suelo de subrasante establecidas por la NCSA.

Cuando se evalan adecuadamente el soporte del suelo y las condicionesdel trnsito, se puede determinar un espesor de diseo bsico apropiadopara condiciones climticas normales o templadas. Aun en las regiones fras,este paso deber realizarse antes de hacer cualquier ajuste al espesor. Enla figura 16-13 se entra con el CBR de diseo de la subrasante y el ndicede diseo. La lnea intermitente de trazos gruesos y la flecha representan,en la figura 16-l 3, el mtodo seguido para obtener el espesor del diseo b-sico, en purgadas. Comootra alternativa, se puede tilizar la tabla 16-10para estimar el espesor del diseo bsico.

Una vez hecho lo anterior, deber revisarse el diseo bsico para verifi-car si el pavimento es suficiente en una regin sujeta a clima severo. Un clima severo es aquel en el que se presenta la accin nociva de una helada y


TABLA 16-9 (18) Categoras de soporte del suelo

Descri$cin general &l suelo Resistencia-CBR.

ExcelenteContiene un alto porcentaje uniforme de material

granularl Clase de suelos, unificado: GW, GM, GC, GP; algunos:

SM, SP Y SC.l Grupos de suelo, AASHO: A-l, A-2, algunos del A-3,

Contiene algunos materiales granulares entremezcladoscon limo o arcilla ligera o ambos.

l Clase de suelo, unificado: SM, SP, SC; algunos ML,CL, CH.

l Grupos de suelos, AASHO: A-2, A-3; algunos del A-4,unos pocos del A-6 o del A-7.

ReguluresArcilla arenosa, limos arenoso o arcilla limosas ligeras

tienen bajo contenido de mica; pueden tener algunaplasticidad.

l Clases de suelos, unificados: ML, CL,: algunos MH, CH.l Grupos de suelos, AASHO: comprenden desde A-4 hasta

A-7 (ndices de grupos bajo).

15 ms

6 - 9

MalosArcilla plstica, limos finos, arcillas limosas muy finas o

conteniendo micas.l Clase de suelos, unificado: MH, CH, OL, OH, (PT no

adecuado).5 menos

l Grupos de suelos, AASHO: comprenden desde A-4 hastaA-7 (ndice de grupos ms altos).

donde la profundidad a que sta penetra es normalmente mayor que el espe-sor del diseo bsico. Para que una helada nociva ocurra, deben existir trescondiciones: que haya humedad, que los suelos o capas de pavimento seanen s mismos susceptibles a la helada, y que las condiciones de congelacinpenetren en estos materiales. El ejrcito ha clasificado la susceptibilidad delos suelos de diferentes tipos a las heladas como se indica en la tabla 16-11.

En la tabla 16-12, se dan los espesores de diseo apropiados para lospavimentos que se utilizan en los suelos susceptibles de sufrir heladas depenetracin profunda y en los que la humedad es fcilmente accesible. Ta-


ESPESOR DE OlSEfiO, EN PULGAOAS

lWWRA 16-13 Grfica para diseo de espesor. (Del U.S. Arny lhgi~@~ Manual TM5-822-5, figura cortesia de la National Crushed Stme Associntion).

les espesores de diseo no proporcionan una proteccin completa contralas consecuencias de una helada, pero hacen que se tome en cuenta un SO-porte reducido del suelo (CBR) durante ciertas estaciones del ao.

Si el espesor requerido para condiciones de congelacin es mayor que elespesor bsico, entonces, deber utilizarse; de otra forma, deber emplear-se el espesor bsico.

TABLA 16-10 (18) Tabla de espesores bsicos de diseho (condiciones climhticasnormales).

Espesor de diserio (en pulgadas) paralas categorius indicadac & intenkiud

Sudo para submsante d.e trnsito

Clase C B R DI-1 DI-2 DI-3 DI-4 DI-5 DI-6

Excelente 15+ 5 6 7 8 9 1 0Buena 10-14 7 8 9 1 0 l l 1 2Regular 6-9 9 l l 1 2 1 4 1 5 1 7Mala 5 0 menos Se recomienda mejorar la subrasante

a El suelo parasubraunte malo debermcjortwseparahacetio "regular" ounacatqforiamejor,protegiCn.dolo con materiales selectos disponibles o estabilizndolo. El espesor o mejora requerido deber ser ade.cuado para proporcionar protecckm al suelo subyacente no mejorado (determinado en la figura 16.13).


TABLA 16-11 Clasificacin de grupos susceptibles a la congelacin

Grupos

PonCntajede pari7Ahefi= P-

0.02 mm

2kuiJaciouesde suelos,lqcado .,

Susceptibilidadal congelamiento

F-l(a) Suelos con grava. 3-10 GW, GP, GW-CM o

GP-CMBaja

F-2(a) Suelos con grava

(b) Arenas, arcillasarenosas.

i%20

3-15

CM, GW-GM oGP-GMSW, SP, SM, SW-SM

o SP-SM

F-3(a) Suelos con grava(b) Arenas, de gruesa

a media(c) Arcilla, PI> 12

F-4Todos los limos, arenaslimosas muy finas,arcillas con PI< 12, etc.

Baja amedia

Ms de 20 GMoGCMsde 1 5 SMoSC Alta

- CLoCH

Ms de 15 ML. MH, SM. CL, MUYCL-ML. CH y losdepsitos alternados

con bandas

alta

= Referencia Norma ASTI\1 D2487.

TABLA 16-12 (18) Espesor de diserlo, bases del grupo susceptible a lacongelaci6n*c

Grupo & suelo Espesores & diseo @ulg) para laspara subrasante categoras de intensidad ok trnsito indicadassusceptible alcongelamiento DI-1 DI-2 DI-3 DI-4 DI-5 DI-6

F-l 9 10 12 13 15 17F-2 10 12 14 16 18 20F-3 15 18 22 25 28 30F-4 Se recomienda mejorar la subrasante

i Tabla desarrollada a partir de la figura 19. U. S. Army TM 5.810.2.1 pulg = 2.54 cm.

Los espesores de diseo pueden ser moderados excepto en los lugares donde son comunesla condiciones adversas de humedad y de las heladas profundas. Los suelos F-4 debern mejorar.se a F-3 o a otro mejor, antes de iniciar la construccin. Esta operacin deber extenderse a laprofundidad total de la penetracin de la helada.

REFERENCIAS 601

TABLA 16- 13 ( 18) Recomendaciones para ei espesor decarpeta

Categora de intensidad de trnsito Carpeta mnima requerida

DI-1 1 pulg (uti l izartratamiento superficial)

DI-2 2 pulgDI-3 2.5 pulgDI-4 3 pugDI-5 3.5 pulgDI-6 4 pug

Habiendo determinado el espesor total apropiado de diseo para lascondiciones especficas, deber averiguarse el tipo y espesor de la capa CO-rrespondiente. Bsicamente, el espesor total de diseo se divide en espesor dela carpeta, base y sub-base, (esta ltima no siempre se utiliza). La carpetade la carretera deber ser de concreto asfltico de alta calidad y la base yla sub-base (si se usa) debern ser de material granular de alta calidad. Latabla 16-13 contiene los espesores de carpeta recomendados por la NCSA.Los espesores totales de la base y la sub-base (si se usa) se determinan res-tando el espesor de la carpeta del espesor de diseo total.

16- 15 ConclusinEn aos recientes, se ha progresado mucho en la creacin de mtodos msconfiables de diseo estructural de pavimentos. Anteriormente, los proce-dimientos de diseo dependan mucho de juicios subjetivos de ingenierabasados en evaluaciones del comportamiento del pavimento e condicio-nes de servicio. A medida que se aprende ms acerca de las propiedadesmecnicas de los materiales de la carpeta y la subrasante y de la mecnicade las fallas del pavimento, los ingenieros aplican procedimientos ms ra-cionales del diseo de pavimentos. Es seguro que los esfuerzos de los inves-tigadores para depurar y mejorar la metodologa de diseo de pavimentosconducir a pavimentos que son ms econmicos y duraderos.

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diseÑo de pavimentos flexibles - imcyc.comimcyc.com/biblioteca/archivospdf/pavimentos flexibles/4...

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