estudios de suelos y diseño de pavimentos_por: ing reyner castillo

“MEJORAMIENTO DE LA TRANSITABILIDAD VEHICULAR Y PEATONAL DE LAS PRINCIPALES VIAS DEL DISTRITO DE CAHUACHO, PROVINCIA CARAVELÍ - AREQUIPA”,”

ESTUDIO DE SUELOS Y DISEÑO DE PAVIMENTOS

“Año de la Diversificación Productiva y del Fortalecimiento de la Educación”


1.0 GENERALIDADES1.10 IntroducciónEl presente informe técnico, se refiere al estudio de mecánica de suelos para el

proyecto: “MEJORAMIENTO DE LA TRANSITABILIDAD VEHICULAR Y PEATONAL

DE LAS PRINCIPALES VIAS DEL DISTRITO DE CAHUACHO, PROVINCIA

CARAVELÍ - AREQUIPA”, ubicado en el distrito de Cahuacho, en la provincia de

Caraveli, Región Arequipa.

Se refiere específicamente a las investigaciones efectuadas en el sub-suelo del terreno

destinado para el mejoramiento del proyecto en mención.

1.20 Objetivos

a) Evaluación de las características físico-mecánicas de los materiales que se

encuentran en el sub-suelo de la zona o carretera existente.

b) Conocer las características del terreno de fundación, con la finalidad de

determinar su capacidad de soporte y garantizar la estabilidad de la vía.

c) Obtención de las características y parámetros de las sub-rasante necesarios

para efectuar el diseño de la estructura de la vía.

d) Clasificación de suelos del terreno de fundación y de la sub-rasante.

1.30 Ubicación de la zona en Estudio

La carretera en estudio, se encuentra en la jurisdicción del distrito de Cahuacho en la

provincia de Caraveli, Región Arequipa; estas vías son de mucha importancia para el

desarrollo integral de esta zona.

1.40 Clima e HidrologíaPor su ubicación, topografía variada y diferentes altitudes, su clima es variado; cálido

en la costa con temperaturas entre 12°C a 29°C, con lloviznas menudas que fluctúan

de 0 a 50 mm, el viento dominante es el alisio; en la sierra el clima es seco y varía

según la altitud desde cálido templado hasta frío intenso, con una temperatura

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promedio de 14°C y con precipitaciones pluviales estacionarias que van de 100 a 700

mm al año, entre los meses de octubre a marzo.

2.0 GEOLOGIA DEL AREA EN ESTUDIO2.10 Geomorfología.En esta provincia prevalece el Intrusivo-Cretácico-Terciario. Su capital, la ciudad de

Cahuacho se encuentra asentada sobre este grupo de rocas ígneas. Esta provincia

tiene el litoral más largo de la Región Arequipa: 200 km. La Cordillera de la Costa, en

esta provincia tiene un ancho que varía entre los 20 y los 30 km, alcanzando una altura

hasta 1 000 msnm A 4 000 msnm, en la llanura costera, están las pampas, cerros y

colinas, quebradas secas, estrechos valles, médanos, así como las lomas de Arequipa,

Lomas, Atico y Pescadores.

3.0 PROGRAMA DE CAMPO3.10. Exploración del sub-sueloEn la referida vía, para obtener la información necesaria se dispuso el estudio en cada

kilómetro de distancia en todo el tramo del proyecto, siendo en total de 08 puntos de

estudio, los mismos ubicados en las progresivas que se detallan en los resúmenes de

estudios de caracterización.

El sistema permitió examinar directamente los diferentes estratos en cada punto de

estudio y así conocer la estratigrafía del tramo de la vía a mejorarse y evaluar las

características de los materiales que conforman el sub-suelo.

Los muestreos fueron realizados por los interesados, y el presente estudio, tiene como

base, los ensayos realizados en la Universidad Nacional San Agustín de Arequipa, en

el Laboratorio de Mecánica de Suelos y Pavimentos.

3.20 Muestreo

Se han obtenido las muestras más representativas de cada punto de estudio,

principalmente de los estratos de mayor interés y terreno de fundación, los cuales

después de haber sido clasificados visualmente en el campo, fueron enviados en las

cantidades necesarias para efectuar los ensayos en el laboratorio.

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3.30 Ensayos in-situCon la finalidad de determinar el CBR in-situ, se efectuado ensayos con el

Penetrómetro Dinámico de Cono (DPL), los mismos que se han aplicado en el terreno

de fundación, así como en ciertos puntos del eje de carretera.

4.0 ENSAYOS DE LABORATORIO Y ESPECIFICACIONESLos ensayos de laboratorio se han efectuado de acuerdo a normas estándar, siguiendo

las especificaciones del ASTM, AASHTO y MTC.

ENSAYOS ASTM AASHTO MTCContenido de humedad D-2216 E-108

Análisis granulométrico D-422 T-88 E-204

Límite líquido D-4318 T-89 E-110

Indice de plasticidad D-4318 T-89 E-lllRelación PDC - CBR in-situ D-6951-03

5.0 CARACTERÍSTICAS DEL TERRENO DE FUNDACIÓNEn base a los trabajos de campo y ensayos de laboratorio, el sub-suelo en el área

investigada de acuerdo a los puntos de estudio, está constituido en su generalidad por

conformaciones de diferentes tipos de suelos, ya sean finos en ciertos tramos como

suelos granulares en otros tramos.

Los materiales de los puntos en estudio, de acuerdo a la clasificación SUCS y

AASHTO. De los estudios realizados se han obtenidos los siguientes resultados los

mismos que se encuentran sustentados en el anexo de estudio de suelos. Elaborado

por el laboratorio de Mecanica de Suelos y Pavimentos de la Universidad Nacional de

San Agustín de Arequipa, Facultad de Ingenieria Civil.

CALICATA N°

Punto Limite

índice Retiene Pasa malla

CBR SUCS AASHTOLugar

Líquido

(%)

Plástico (%)

Malla N®4 200 (%)

C-l M-l CAHUACHO 24.8 8.4 40.12 16.63 21 SC A-2-4(0)

C-2 M-1 CAHUACHO 37 16.4 0.63 32.82 18 SC A-2-6 (1)

C-3 M-1 CAHUACHO 39.9 8.2 58.38 10.23 23 GW-GM A-2-4 (0)

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Como se observa en el cuadro, la estratigrafía de toda el área en estudio a nivel de

terreno de fundación, corresponde a suelos granulares y gruesos, como matriz de

boloneria y roca.

En conclusión se tiene un terreno con subrasante de clasificación regular, según los

paramentros del MTC, pero el suelo presenta alto Límite líquido (LL>35) e Indice Plastico (PI>15), cual

se tiene que tener cuidado en el momento del diseño del pavimento.

6.0 DISEÑO DE PAVIMENTO

6.01 OBJETIVO

El pavimento es la capa o conjunto de capas de materiales apropiados, comprendidos entre la

superficie de la subrasante (capa superior de las explanaciones) y la superficie de rodadura, cuyas

principales funciones son las de proporcionar una superficie uniforme, de forma y textura apropiados,

resistentes a la acción del tránsito, a la del intemperismo y de otros agentes perjudiciales, así como

transmitir adecuadamente al terreno de fundación, los esfuerzos producidos por las cargas impuestas

por el tránsito fluido de los vehículos, con la comodidad, seguridad y economía previstos por el proyecto.

6.02 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO.

Se debe de considerar que en el diseño del pavimento rigido el 97% de esfuerzos generados por

los vehículos es disipado por el concreto y sólo un 3% es es absorbido el suelo, los cuales se distribuyen

de tal como indica el grafico siguiente:

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Pero al menor problema en la subrasante por filtraciones de agua, este puede generar fallas en

el pavimento, produciéndose asentamiento, por perdida de propiedades de la sub base y la posterior falla

del pavimento rigido.

Los factores que se deberán tomar en cuenta para el diseño de pavimentos urbanos de concreto

son:

1. Diseño Estructural

2. Resistencia a Flexión (MR)

3. Resistencia de la Sub-rasante o sub-base (Módulo K)

4. Clasificación de las Calles Urbanas

5. Trafico Diario Promedio de Camiones (ADTT) y distribuciones de Cargas

6. Período de Diseño

7. Sardineles Integrales

8. Juntas

Para el presente proyecto se propone la utilización del método del CBR, con la finalidad de

determinar los espesores iniciales de la estructura del pavimento, con la cual se verificaran el método de

Aashto y con el programa Pave 2008 v.1.1.0.

6.03 CALCULO DEL ESPESOR DE BASE - METODO DEL CBR.

Este método fue creado por la California Division of Highways, se basa en el ensayo California

Bearing Ratio (C.B.R.). Los diferentes valores de CBR y cargas por rueda o por eje, han determinado sus

respectivos espesores de pavimentos, en base a datos experimentales. Los diferentes organismos viales

y técnicos, han elaborado curvas para facilitar estos cálculos.

6.04 PARÁMETROS PARA EL PREDIMENSIONAMIENTO:Página 5 de 16




C.B.R. de la sub-rasante = 23.00 %

C.B.R. del material de cantera o sub base (valor minimo de CBR para sub base) =30%

Peso de una llanta de un vehiculo de 18 tn por eje: 9 Tn = 19,841.60 Lb.

Según el ábaco anexo que interrelaciona el CBR y las cargas por rueda, se tiene:

Del grafico de predimensionamiento mostrado, el espesor combinado sale 25 cm, asumiendo un

espesor de minimo de 15 cm de losa de concreto tendríamos un espesor de 10 cm de sub base (por

proceso constructivo el espesor de base seria =20cm), pero como se ha verificado in situ, y por los

ensayos de plasticidad, el terreno (la subrasante) es plástico (IP> 15) y con un limite liquido promedio

mayor a 35, eso hace indicar que al menor contacto con el agua este material se empieza a expandir el

cual induciría a asentamiento diferenciales al pavimento, los cuales ya fueron corroborados en

experiencia en esta zona. Debido a ello se considera mejorar la sub rasante con una capa de 20 cm, con

la finalidad de sellar y permitir una adecuada transmisión de cargas en la subrasante, con la que se

tendría la siguiente dimensión:Página 6 de 16




Mejoramiento de Subrasante = 20.00 cm.Espesor de SubBase = 20.00 cm.

6.05 REQUERIMIENTOS TECNICOS PARA MATERIAL DE BASE.De acuerdo a las Especificaciones Técnicas Generales del Manual de Diseño Geométrico de Carreteras,

se propone los siguientes requerimientos técnicos:

(a) GranulometríaLa composición final de la mezcla de agregados presentará una granulometría continua y bien graduada

(sin inflexiones notables) según uno de los requisitos granulométricos que se indican en la Tabla 305-1.

Para el caso del proyecto se propone la gradación B.

Tamiz Porcentaje que Pasa en PesoGradación A Gradación B Gradación C Gradación D

50 mm (2”) 100 100 --- ---25 mm (1”) --- 75 – 95 100 100 9.5 mm (3/8”) 30 – 65 40 – 75 50 – 85 60 – 100 4.75 mm (Nº 4) 25 – 55 30 – 60 35 – 65 50 – 852.0 mm (Nº 10) 15 – 40 20 – 45 25 – 50 40 – 704.25 um (Nº 40) 8 – 20 15 – 30 15 – 30 25 – 4575 um (Nº 200) 2 – 8 5 – 15 5 – 15 8 – 15Fuente: ASTM D 1241

6.06 DISEÑO ESTRUCTURAL PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE LA AASHTO6.06.01 DISEÑO DE PAVIMENTO DE CONCRETO

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O

6.06.02 VARIABLES A USAR:

1. W 82 (EJES SIMPLES EQUIVALENTES DE 82 KN) A LO LARGO DEL PERIODOEl método de AASHTO requiere la transformación a ejes simples equivalentes a 82 KN

de los ejes de diferentes pesos que circulan sobre el pavimento a lo largo del periodo de diseño.

Según el horizontel del proyecto el periodo de diseño es de 10 años, pero según la tabla

siguiente, esta via perteneceria a una via a nivel de plataforma con gravas, pero según NTP CE.

010 no se admiten vías urbanas a nivel de sub base, tomando el inmedianto superior, el cual el

de 15 – 25 años.

Debido a ello nuestro periodo de diseño es de 20 años, con el fin de poder evaluar las

distintas alternativas a largo plazo.

PERIODO DE DISEÑO A ADOPTAR EN FUNCION DEL TIPO DE CARRETERA

TIPO DE CARRETERA PERIODO DE DISEÑO (AÑOS)Urbana de transito elevado 30-50

Interurbana de tránsito elevado 20-50

Pavimentación de baja intensidad de transito 15-25

De baja intensidad de tránsito pavimentación con grava. 10-20

El transito a tener en cuenta es el que utiliza el carril de diseño. Se admite que en

general, en cada dirección circular el 50% del transito total y que dependiendo del numero de

carriles en cada dirección, puede suponerse que sobre el carril de diseño circulan los

porcentajes del transito en dicha dirección

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2. DESVIACION NORMAL ESTANDAR (Zr)Si se supone que para un determinado conjunto de variables definiendo un pavimento

(espesores de las capas, características de los materiales que las componen, condiciones de

drenaje…) el transito que puede soportar el mismo a lo largo de un determinado periodo de

diseño sigue una ley de distribución normal con una media Mt y una desviación típica S0,

mediante la tabla de dicha distribución se puede obtener el valor ZR asociado a un nivel de

confiabilidad R, de forma que haya una probabilidad igual a 1-R/100 de que el transito

soportando sea inferior al valor ZrSo.

3. ERROR ESTANDAR COMBINADO S0

Tal como se muestra se ha indicado en el párrafo anterior, representa la desviación estándar

conjunta que conjuga la desviación estándar de la ley de predicción del transito en el periodo de

diseño con la desviación estándar de la ley de predicción del comportamiento del pavimento, es

decir, del numero de ejes que puede soportar el pavimento hasta que su índice de servicio

descienda por debajo de un determinado valor Pt.Página 9 de 16




La guía AASHTO recomienda adoptar para So valores comprendidos dentro de los siguientes

intervalos:

Pavimentos rígidos: 0.30 – 0.40

- 0.35 = Construcción nueva- 0.40 = Sobrecapas

Pavimentos flexibles: 0.40-0.50

- 0.45 = Construcción nueva

- 0.50 = sobrecapas

Por otra parte, en la guía del AASHTO sugiere los niveles de confiabilidad R indicados en la

siguiente tabla:

El producto Zr So realmente es una factor de seguridad aplicado a la estimación del transito

a través de la ecuación siguiente. La AASHTO recomienda que el factor de seguridad esté en

función del transito esperado en el carril de diseño según la siguiente tabla:

10 ZrSoFs

4. INDICE DE SERVICIO FINAL pt Y VARIACION DE ∆PSI EN EL INDICE DE SERVICIOLa selección del índice de servicio final pt se debe basar en el índice más bajo que pueda ser

tolerado antes de que sea necesario efectuar una rehabilitación un refuerzo o una

reconstrucción. Se sugiere para el mismo, un valor de 2,5 o incluso superior para las la vías de

mayor transito y de 2.0 para tránsitos menos importantes. En cuanto al índice de servicios inicial

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p0, que a su vez interviene para determinar la variación tppPSI 0 , éste depende de la

calidad de la construcción. En los pavimentos del ensayo AASHTO, p0 alcanzó un valor medio

de 4.5 en los pavimentos de concreto y de 4.2 en los de asfalto.

Entonces en nuestro diseño tendremos PSI=4.5-2.0=2.55. COEFICIENTE DE DRENAJE CD

El valor del mismo depende de los parámetros: la calidad del drenaje, que viene determinada por

el tiempo que tarda el agua infiltrada en ser evacuada del pavimento y el porcentaje de tiempo a

lo largo del año durante el cual el pavimento está expuesto a niveles de humedad

aproximándose a la saturación. Dicho porcentaje depende de la precipitación media anual y de

las condiciones de drenaje.

6. COEFICIENTE DE TRANSMISION DE CARGAS, JEste factor se introduce para tener en cuenta la capacidad del pavimento de concreto para

transmitir las cargas a través de las discontinuidades (juntas o grietas). Su valor depende de

varios factores. El tipo de pavimento (en masa, reforzado con juntas, con armaduras continuas).

El tipo de bermas (de concreto unida al pavimento o de asfalto).

Para nuestro diseño utilizaremos J=3.0

7. MODULO DE ELASTICIDAD Ec DEL CONCRETOSe recomienda determinarlo de acuerdo con el procedimiento descrito en la Norma ASTM C469,

o en su defecto, correlacionarlo con otras características del material, como puede ser su

resistencia a compresión.

El modulo de elasticidad del concreto considera la siguiente formula.

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cfwEc '14.0 5.1

Donde:

F’c: Resistencia a la comprensión del concreto

W: Peso unitario del concreto en Kg/m3 (1440 – 2480 Kg/m3)

Para concretos normales, con pesos unitarios aproximadamente 2300 kg/m3 se usa también la

siguiente expresión:

cfEc '15100

8. FACTOR DE PERDIDA DE SOPORTE LsEste parámetro viene a indicar la pérdida de apoyo potencial de las losas debido bien a la

erosionabilidad de la subbase o bien a asentamientos diferenciales de la subrasante.

Acontinuación se muestra la tabla los valores de Ls recomendado para distintos tipos de bases y

subbases.

Es recomendable en suelos expansivos, usar los valores comprendidos entre 2.0 y 3.0.

9. MODULO DE REACCION K DE LA SUPERFICIE EN LA QUE SE APOYA EL PAVIMENTO (Modulo Efectivo de la Subrasante)

Antes de entrar a la fórmula o al ábaco para definir el espesor de la losa, es necesario determinar las

posibles variaciones en la capacidad de soporte la cual depende del módulo de resiliencia del suelo

de la subrasante, el de la subbase y del módulo de elasticidad de la subbase.Página 12 de 16




Para la determinación del módulo de elasticidad de la subbase se puede utilizar una serie de

correlaciones con otros parámetros.

Utilizando el monograma siguiente en el que intervienen como variables de entrada el módulo de

resiliencia de la subrasante, el espesor de la subbase y el coeficiente de elasticidad de la misma, se

obtiene el denominado modulo de reacción compuesto de la subrasante.

Entonces con todo lo definido anteriormente se realiza el siguiente procedimiento:

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6.07 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO CON FIBRA DE ACERO WIRAND – PROGRAMA PAVE 2008.

El procedimiento de cálculo adaptado por el programa PAVE 2008 está basado en reglas

técnicas y recomendaciones incluidas en el código ingles TR 34/3. Este procedimiento facilita el uso de

las propiedades mecánicas naturales del concreto mejorando las propiedades de esfuerzo y

comportamiento post fisuración debido a la incorporación de fibras de acero WIRAND® FF1. Las

reflexiones sobre factores de seguridad están acorde al código EC 2 /TR34. Los cálculos y las

consideraciones de diseño de este método están basadas en los códigos EN206, Eurocódigo 2, y en el

reporte TR34 tercera edición, de "The Concrete Society", UK, de pisos de concreto apoyados sobre

suelos. Las teorías de diseño están basadas en los métodos de Losberg, Meyerhof y Hetenyi; así como

en la metodología de diseño basada en la mecánica de la fractura no lineal para losas apoyadas sobre el

suelo, desarrollado por Officine Maccaferri S.p.A. [WEST]. Por lo que a partir de un pre-diseño (Peralte

de losa y dosificación de fibras metálicas y/o polipropileno) se determina los esfuerzos admisibles de la

estructura.

Luego, se determinan los esfuerzos actuantes debido a las cargas sobre el pavimento, los

cambios de temperatura y los esfuerzos de retracción que están presentes en el concreto; en el caso de

las cargas se verificará también si la carga es en el borde del paño, en la esquina o en el centro,

considerando también si las juntas serán con dowells o no. Estos esfuerzos actuantes son amplificados

utilizando los factores de seguridad que estipule el código seleccionado para el diseño. Finalmente, se

compararán los esfuerzos actuantes con los admisibles por la estructura y se calcularán factores de

seguridad que serán los que determinen la certeza del diseño recomendado.

DATOS DE DISEÑO: CBR de Subrasante = 23.00 %

CBR de material de base = 30.00 %

Espesor de Subbase = 20 cm.

Resistencia de Concreto f’c = 210 kg/cm2

Módulo de rotura = 3.10 MPa.

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Espesor propuesto de losa = 150.00 mm

Dosificación de fibras de acero Wirand FF1 = 20 kg/m3.

Dosificación de polipropileno Fibromac12. = 600 gr/m3

Carga para el diseño = Camion 3 ejes (C-4) = (32 Ton.)

Cálculo del espesor de la losa. (Se encuentra anexado al final del documento) Valores de entrada del sistema.

Apoyo y cálculo de rigidez , condiciones de la subrasante:

Cálculo de cargas actuantes y admisibles del camión.

Determinación del Factor de Seguridad Global debido a Cargas de Flexión

Determinación de Factor de Seguridad Global debido a cargas de Punzonamiento.

Factores de Seguridad: Factor de Seguridad Global Cargas de Flexión = >1.00 → OK.

Factor de Seguridad Global Esfuerzos Cara de carga = > 1.00→ OK

Factor de Seguridad Perimétrico Critico= 1.00 → OK.

Por lo tanto se concluye que el diseño asumido para este pavimento, será de 15.00cm de

espesor con una dosificación de 20kg/m3 de fibras de acero Wirand FF1 y 600gr/m3 de fibras de

polipropileno Fibromac 12, así mismo se usará un concreto f’c = 210 Kg/cm2.

Para controlar la retracción en primera etapa de curado del concreto con la adición de fibras de

polipropileno del tipo micro filamentos del tipo FIBROMAC 12, a una razón de 500gr/m3, es una

alternativa que contrarresta microfisuraciones, logrando un adecuado acabado para la estructura prevista

y alargando la vida útil de la estructura mejorando su resistencia a la abrasión.

Entonces el diseño del pavimento será:

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