generalidades de pavimentos
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1 GENERALIDADES
Un pavimento es una estructura constituida por capas de materiales cuya
funcioacuten es permitir la operacioacuten raacutepida coacutemoda y segura de los vehiacuteculos enuna carretera
Figura 1 Ejemplo de algunas capas de materiales encontrados al excavar un pavimento
11 HISTORIA DE LOS PAVIMENTOS
La historia de los pavimentos es tan antigua como el hombre mismo antiguas
culturas usaron losas de piedra para aumentar la estabilidad de sus caminos
Las viacuteas de comunicacioacuten en el imperio romano se construiacutean excavando en la
tierra hasta encontrar una capa dura de cimentacioacuten sobre la que se preparaba
un lecho formado por una capa inferior de gravas de gran tamantildeo capas de
piedra machacada y losas o lajas de piedra
A finales del siglo XVIII y principios del XIX se comenzaron a pavimentar calles
empleando riegos de alquitraacuten Posteriormente en Estados Unidos se
emplearon mezclas fabricadas a partir de rocas asfaacutelticas y de asfaltos
naturales Fue el norteamericano Richardson quien establecioacute las bases a partir
de las cuales se consolidoacute la utilizacioacuten de los betunes asfaacutelticos para la
fabricacioacuten de mezclas asfaacutelticas que actualmente resultan baacutesicas para la
pavimentacioacuten
Capa superficial estabilizada
Capa de gravas trituradas
Capa de gravas naturales
Capa de suelo seleccionado
Capa de suelo arcilloso
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Figura 2 Construccioacuten de calzadas en el Imperio Romano
12 TIPOS DE PAVIMENTOS
Las estructuras de pavimento estaacuten formadas por capas de diversos tipos de
materiales y pueden variar ostensiblemente en funcioacuten de las fuentes de
materiales disponibles en cada regioacuten sin embargo se suelen distinguir los
siguientes tipos de pavimento
Pavimento flexible
Pavimento de capa asfaacuteltica gruesa
Pavimento riacutegido
Pavimento semi-riacutegido o compuesto
Pavimento articulado
Pavimento de estructura inversa
121 Pavimento flexible
Este tipo de pavimentos estaacute conformado por una delgada capa superficial
construida sobre una o dos capas de material granular denominadas base y
subbase las cuales se asientan sobre un suelo o capa denominada
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subrasante La capa superficial estaacute constituida por agregados peacutetreos tratados
con ligantes bituminosos Se le denomina pavimento flexible porque debido a
las caracteriacutesticas viscoelaacutesticas del bitumen en comparacioacuten con otros tipos
de pavimento las cargas producen mayores deformaciones
Figura 3 Estructura tiacutepica de un pavimento flexible
La fundacioacuten del pavimento o subrasante
Despueacutes de realizar las explanaciones para la construccioacuten de una carreteralos materiales naturales que quedan expuestos en los cortes o en la parte
superior de los terraplenes no tienen capacidad mecaacutenica suficiente para
soportar las cargas de los vehiacuteculos para aumentar su resistencia se compacta
un espesor de suelo del orden de 20 cm y el conjunto suelo natural-capa de
suelo compactado conforman el cimiento o subrasante del pavimento
La Base y La Subbase
La capa de base es la porcioacuten de la estructura de pavimento flexible
inmediatamente debajo de la capa superficial La funcioacuten fundamental de esta
capa es proporcionar un elemento resistente que atenuacutee los esfuerzos
producidos por las cargas de traacutensito para transmitirlos a la subrasante La
base comuacutenmente consta de agregados como piedra triturada escoria triturada
Carpeta asfaacuteltica
Base
Subbase
Suelo compactado
SubrasanteSuelo natural
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o grava triturada o sin triturar y arena o la combinacioacuten de estos materiales
Como la parte inferior de esta capa va a estar sometida a menores esfuerzos
es posible reducir las caracteriacutesticas de resistencia mecaacutenica del material en
esta porcioacuten y transformarla en dos capas la superior o capa de base
propiamente dicha y la capa inferior denominada subbase Lasespecificaciones para materiales de capa de base son superiores a las de
materiales de subbase en los requerimientos de resistencia estabilidad
dureza tipos de agregados y gradacioacuten
La capa de subbase se usa en general para reducir el costo total de
construccioacuten del pavimento La subbase puede omitirse si el espesor total de
pavimento es relativamente delgado o si los suelos de la subrasante son de
alta calidad
Ademaacutes de su funcioacuten principal las capas de subbase deben cumplir con otras
funciones secundarias como
Evitar que los suelos de grano fino del lecho del camino se filtren dentro de
las capas de base Si la subbase estaacute destinada a servir para este
propoacutesito se deben especificar materiales de gradacioacuten densa o bien
gradados
Reducir los efectos de la congelacioacuten Para este propoacutesito se deben
especificar materiales no susceptibles a la accioacuten perjudicial del
congelamiento
Ayuda a evitar la acumulacioacuten de agua libre dentro o debajo de la
estructura del pavimento Se debe especificar material que drene el agua de
una forma relativamente raacutepida y se deben proporcionar los medios de
colectar y eliminar el agua acumulada en la subbase
Impide que el agua de la subrasante ascienda por capilaridad y evita que el
pavimento se degrade
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Debe transmitir en forma adecuada los esfuerzos a la subrasante
En los cortes de roca proveer una plataforma de trabajo para equipo de
construccioacuten o para construir las capas superiores del pavimento
Capa superficial
Ademaacutes de su funcioacuten como una parte estructural del pavimento la capa
superficial se debe proyectar para resistir las fuerzas abrasivas de traacutefico
limitar la cantidad de agua superficial que penetra en el pavimento proveer una
superficie resistente a deslizamiento y proporcionar una superficie uniforme y
estable de color y textura conveniente para proveer un excelente servicio a los
usuarios de la viacutea La capa superficial tambieacuten debe ser durable capaz de
resistir fracturas y desmoronamientos sin llegar a ser inestable en las
condiciones del traacutefico y del clima
Comuacutenmente construida sobre una capa de base la capa superficial de una
estructura de pavimento flexible consta de una mezcla de agregados minerales
y de materiales bituminosos
122 Pavimento de capa asfaacuteltica gruesa
Los pavimentos de capa asfaacuteltica gruesa estaacuten conformados por dos o maacutes
capas de mezcla asfaacuteltica en caliente colocadas directamente en el suelo por
lo que tambieacuten se conoce como estructura full-depth Este tipo de pavimento ha
evolucionado y se considera que se deben construir tres capas asfaacutelticas cada
una de ellas concebida para un desempentildeo particular en la estructura La capa
superficial debe garantizar adherencia con las llantas de los vehiacuteculos y baja
deformacioacuten a altas temperaturas la capa intermedia debe tener alta
resistencia a la deformacioacuten y la capa inferior debe garantizar alta resistencia a
la fatiga
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Figura 4 Estructura de pavimento de capa asfaacuteltica gruesa
123 Pavimentos Riacutegidos
Este tipo de pavimento esta constituido por losas de concreto hidraacuteulico las
cuales estaacuten apoyadas sobre la subrasante o sobre una capa formada con
materiales seleccionados denominada subbase del pavimento riacutegido Este tipo
de estructura debido a su gran rigidez transmite los esfuerzos a una zona muy
amplia de las capas inferiores
Figura 5 Estructura de pavimento riacutegido
Losa de concreto
Subbase
Suelo compactado
Suelo natural
Suelo natural
Suelo compactado
Subrasante
Carpeta asfaacuteltica
Subrasante
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La subbase
La subbase en un pavimento riacutegido es la capa encargada de impedir el bombeo
entre las juntas grietas y extremos del pavimento Se entiende como bombeo a
la evacuacioacuten de material fino de la estructura de pavimento debido a lainfiltracioacuten de agua a traveacutes de las juntas de las losas Esta agua infiltrada
causa un efecto de licuacioacuten en el material fino de la subrasante haciendo mas
faacutecil su evacuacioacuten a la superficie al estar sometidos a las presiones ejercidas
por el transito sobre las losas
Figura 6 Fenoacutemeno de bombeo
Asiacute mismo esta capa funciona como elemento de transicioacuten y subministra un
apoyo estable y permanente del pavimento Adicionalmente mejora
notablemente el drenaje de la estructura y ayuda a evitar la acumulacioacuten de
agua debajo de las losas Tambieacuten aumenta la capacidad de soporte de suelo
de subrasante
Losa de concreto
Las funciones de la losas de concreto en un pavimento riacutegido son las mismas
que cumple la carpeta asfaacuteltica en un pavimento flexible y a su vez las losas de
concreto deben cumplir la funcioacuten estructural de soportar y transmitir un nivel
de esfuerzos adecuado a las capacidades mecaacutenicas de las capas inferiores
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124 Pavimento Compuesto o Semi-riacutegido
La estructura de este tipo de pavimento es muy similar a la de un pavimento
flexible la diferencia radica en que una de sus capas es muy riacutegida porque seha estabilizado con cal cemento o alguacuten producto quiacutemico El propoacutesito de
estos aditivos es mejorar o modificar las caracteriacutesticas mecaacutenicas de los
materiales ya que no son las ideales teniendo en cuenta que los materiales
apropiados para dicha obra estaacuten muy distantes y su adquisicioacuten aumentariacutea
notablemente los costos de la construccioacuten La funcioacuten de la capa estabilizada
es proporcionar una base muy fuerte y la mezcla asfaacuteltica proporciona una
superficie uniforme no reflectiva y que garantiza adherencia con las llantas de
los vehiacuteculos
Figura 7 Estructura de capas de un pavimento semi-riacutegido
125 Pavimento de estructura inversa
El pavimento de estructura inversa se caracteriza por tener mayor espesor y
rigidez en las capas de apoyo que en las capas de la parte superior de la
estructura Entre las capas que conforman este pavimento se encuentra una
capa base tratada con cemento portland la cual actuacutea como una soacutelida
plataforma de trabajo para la construccioacuten de la capa base granular y ademaacutes
reduce las tensiones en la base granular y en la capa de asfalto La capa de
Subrasante
Suelo natural
Suelo compactado
Base tratada
Concreto asfaacuteltico
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grava no tratada o base granular impide el remonte de fisuras transversales de
retraccioacuten que se producen en la capa tratada con cemento
Figura 8 Pavimento de estructura inversa
126 Pavimento Articulado
Los pavimentos articulados estaacuten formados por una capa de rodadura la cual
esta elaborada con bloques de concreto o piedra (adoquines) Estos se pueden
colocar sobre una capa delgada de arena la cual a su vez se apoya sobre una
capa de base granular o directamente sobre la subrasante dependiendo de la
calidad de esta y dependiendo de la magnitud y frecuencia de las cargas que
circulan por la viacutea
Figura 9 Estructura de pavimento articulado
Capa de arena
Subrasante
Suelo compactado
Suelo natural
Adoquines
Base
Subbase granular
Capa tratada con cemento portland
Suelo compactado
Suelo natural
Base Granular
Concreto asfaacuteltico
Subrasante
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La Base
Es la capa colocada entre la subrasante y la capa de rodadura La funcioacuten
primordial de esta capa es aumentar la capacidad de la estructura de
pavimento Esta capa puede estar compuesta por dos o maacutes materialesseleccionados Se podraacuten utilizar bases de material granular suelos
estabilizados o concreto pobre
Capa de arena
Esta capa es colocada directamente sobre la base La capa de arena es de
poco espesor y el material usado es arena gruesa y limpia que sirve como
asiento para colocar uniformemente los adoquines
Adoquines
Los adoquines deben tener propiedades y caracteriacutesticas similares para poder
resistir adecuadamente las cargas de transito y fundamentalmente el desgaste
producido por eacuteste
Sello de arena
Este sello esta constituido por arena muy fina que es colocada entre las juntas
entre los adoquines y su principal funcioacuten es servir de sello a las juntas y
contribuir al funcionamiento de la estructura en conjunto con los demaacutes
elementos de la capa de rodadura La arena que se utilizaraacute para sellar las
juntas entre adoquines debe estar libre de materia orgaacutenica y elementos
contaminantes
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2 LA FUNDACIOacuteN DEL PAVIMENTO O SUBRASANTE
La subrasante es aquella parte de la estructura que tiene como funcioacuten servir
de soporte de las otras capas del pavimento De la calidad de esta capa
depende en gran medida el espesor que debe tener un pavimento
Para dimensionar un pavimento es necesario determinar la capacidad
mecaacutenica de los suelos que serviraacuten de fundacioacuten a las capas de la estructura
la sensibilidad del suelo a la humedad en lo que se refiere a la resistencia como
a las eventuales variacioacuten de volumen (hinchamiento y retraccioacuten)
Como paraacutemetro de caracterizacioacuten se emplea la rigidez del suelo o resistencia
a la deformacioacuten bajo las cargas de traacutensito La subrasante se puede construir
con suelos en su estado natural o suelos con alguacuten proceso de mejoramiento
como la estabilizacioacuten mecaacutenica o quiacutemica entre otras
Ciertos materiales resultan inapropiados como material de subrasante como
por ejemplo los Suelos clasificados como A-8 (seguacuten AASHTO) debido a que
son altamente compresibles estaacuten conformados principalmente de materia
orgaacutenica y tienen una baja resistencia al corte
21 ANAacuteLISIS PARA DETERMINAR LAS CARACTERIacuteSTICAS DE UN
SUELO PARA SUBRASANTE
El estudio de la subrasante para disentildeo de pavimentos comprende diferentes
etapas
211 Fase de seleccioacuten de unidades homogeacuteneas de disentildeo Debido a la
extensioacuten de las zonas que atraviesa una carretera el pavimento se apoya
sobre diversos tipos de formaciones geoloacutegicas y en consecuencia en un tramo
de carretera se pueden presentar diversos tipos de suelos en la subrasante
Para definir una capacidad de soporte es necesario separar por zonas o
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unidades donde los materiales encontrados presenten caracteriacutesticas similares
La delimitacioacuten de las unidades homogeacuteneas de disentildeo se realiza con base en
las caracteriacutesticas geoteacutecnicas climaacutetica topograacuteficas y de drenaje
Figura 10 Ejemplo de zonas geoloacutegicas atravesadas por una carretera
a Delimitacioacuten de formaciones geoloacutegicas Una primera sectorizacioacuten se puede
realizar con base en el estudio de las formaciones geoloacutegicas que sean
identificadas en el trazado del proyecto vial Con base en un mapa en el que se
localicen las formaciones de suelos y el trazado de la viacutea se establecen las
abscisas de inicio y finalizacioacuten de una unidad de disentildeo
b Determinacioacuten del perfil geoteacutecnico de los suelos De manera mas precisa la
ejecucioacuten de perforaciones en el terreno permite identificar las cantidades y
extensiones de suelos existentes en la zona del proyecto la manera como
estos estaacuten dispuestos en capas y conocer profundidades de ubicacioacuten del
nivel freaacutetico El nuacutemero de perforaciones necesarias para conocer el perfil del
suelo se basa en la experiencia dependiendo de a uniformidad del suelo Un
menor nuacutemero de muestras o un mayor espaciamiento de las perforaciones
conlleva mayores riesgos en el disentildeo un nuacutemero muy grande de muestras
genera un elevado costo de la fase de disentildeo El espaciamiento de las
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perforaciones deberiacutea ser el menor posible y que permita mantener los costos
del disentildeo en liacutemites razonables
En viacuteas con altos voluacutemenes de traacutensito se deberiacutea reducir el riesgo de que la
estructura de pavimento quede cimentada en materiales que no fueronensayados durante la etapa de disentildeo En los sitios donde los materiales
tuviesen una menor capacidad de soporte que la de disentildeo el pavimento se
degradariacutea tempranamente y las reparaciones respectivas ocasionariacutean cierres
molestias y mayores costos de operacioacuten a un gran nuacutemero de usuarios de la
viacutea
La presencia de camiones con mayores cargas por eje altera los esfuerzos en
capas de suelos que se encuentran a mayor profundidad Para la ubicacioacuten
profundidad y definicioacuten del nuacutemero de perforaciones podriacutea adoptarse como
guiacutea
En proyectos de construccioacuten de viacuteas importantes un sondeo cada 250
metros obteniendo muestras de suelos hasta 15 metros de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
En proyectos viales de bajo volumen de traacutensito un sondeo cada 500
metros obteniendo muestras de suelos hasta 10 metro de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
Los datos que se deben tomar de cada una de las perforaciones realizadas
son el espesor de las capas encontradas y su posicioacuten exacta en sentido
vertical asiacute como la identificacioacuten visual de los materiales indicando su
color y consistencia Ademaacutes se debe registrar la posicioacuten del nivel freaacutetico
en caso de observar su presencia
Se debe tomar una muestra de las diferentes capas de suelo encontradas
en cada perforacioacuten realizada dichas muestras pueden ser alteradas o
inalteradas
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c Ensayos de laboratorio a las muestras obtenidas para determinar sus
propiedades generales en relacioacuten con la estabilidad y capacidad de
soporte de la subrasante Es necesario establecer las propiedades fiacutesicas
de cada uno de los suelos muestreados y tambieacuten conocer su
comportamiento bajo diversas condiciones por esta razoacuten se realizandiversas pruebas como
Determinacioacuten del contenido de humedad liacutemite plaacutestico y liacutemite liquido
El contenido de humedad de un suelo puede indicar posibles
comportamientos del mismo al ser utilizados como subrasante pues si el
contenido de agua esta cerca del liacutemite liacutequido es probable que el suelo
sea da baja capacidad portante y si el contenido de agua por el
contrario es cercano al liacutemite plaacutestico este tipo de suelo podriacutea
presentar una mayor resistencia mecaacutenica
Anaacutelisis de granulometriacutea Los resultados de esta prueba permiten
clasificar el suelo el cual puede pertenecer a alguno de los siguientes
grupos o ser una combinacioacuten de los mismos
bull Grava Estos aacuteridos son partiacuteculas granulares de material peacutetreo de
tamantildeo que se origina por fragmentacioacuten de las distintas rocas de la
corteza terrestre ya sea en forma natural o artificial Como subrasante
de un pavimento es muy estable ofrece una alta capacidad portante y
permitiriacutea construir una estructura de menor espesor
bull Arena Son partiacuteculas de tamantildeo medio con menor capacidad de
soporte que las gravas pero superior a la de los suelos finos como
arcillas y limos
bull Limo Los limos son fracciones microscoacutepicas del suelo de tamantildeo
intermedio entre la arcilla y la arena Su capacidad de soporte variacutea
de baja a media
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bull Arcilla Las arcillas son principalmente partiacuteculas submicroscoacutepicas
en forma de escamas las cuales presentan muy poco espacio entre
si La arcilla tiene la habilidad de retener el agua Se caracteriza por
un pobre drenaje y baja capacidad portante
Determinacioacuten de densidad de campo y grado de compactacioacuten del
suelo Alta densidad de los suelos se relaciona con alta resistencia
d Determinacioacuten del suelo tiacutepico de subrasante para una unidad de disentildeo
despueacutes de determinar las propiedades de las diferentes capas de suelo
como son granulometriacutea el limite liquido y limite plaacutestico se procede a
dibujar un perfil del suelo el cual permite identificar las caracteriacutesticas
propias del terreno donde se va a ejecutar la obra y delimitar las zonas que
se van a considerar homogeacuteneas
212 Fase de seleccioacuten de la resistencia o capacidad de soporte para
disentildeo Los suelos de subrasante normalmente no alcanzan la falla por
esfuerzo cortante pero los pavimentos fallan por deformaciones y fisuras Las
deformaciones se acumulan y se hacen notorias despueacutes del paso de muchas
repeticiones de carga y las fisuras aparecen en los materiales tratados con
ligantes debido a la fatiga por la aplicacioacuten reiterada de cargas
En la caracterizacioacuten mecaacutenica de un suelo de subrasante es maacutes importante
establecer las relaciones esfuerzo-deformacioacuten ante un gran nuacutemero de
solicitaciones de carga que la capacidad uacuteltima de los materiales bajo una
carga de mayor magnitud
Modulo resiliente
El paraacutemetro mas empleado para definir la capacidad de soporte de una
subrasante es el moacutedulo resiliente paraacutemetro similar al moacutedulo elaacutestico de un
material pero en el cual las deformaciones que se emplean solamente incluyen
la componente recuperable de las mismas
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cuperableaxialn Deformacioacute
axial Esfuerzo Mr siliente Moacutedulo
Re)(Re =
bull El moacutedulo resiliente proporciona la relacioacuten baacutesica entre esfuerzo y
deformacioacuten de los materiales y es un paraacutemetro usado en el anaacutelisisestructural de sistemas estratificados Este ensayo se realiza teniendo en
cuenta diversas condiciones ambientales y de estado de esfuerzos las
cuales simulan las cargas de traacutensito a las que se someteraacute la estructura
Una rueda que se mueve imparte un pulso dinaacutemico a todas las capas
de pavimento y a la subrasante Como respuesta a este pulso dinaacutemico
cada capa de pavimento sufre una deflexioacuten El pulso solicitante variacutea
desde un valor muy bajo hasta un maacuteximo en un breve periodo en
funcioacuten de la velocidad del vehiculo
Figura 11 Esfuerzos en la subrasante con el paso de una llanta de vehiacuteculo
Para tratar de simular en laboratorio este tipo de solicitacioacuten se practican
ensayos triaxiales sobre una muestra de suelo aplicando diversas
presiones de confinamiento y pulsos de carga axiales que ejemplifican la
carga de la llanta
983126983137983154983145983137983139983145983283983150 983140983141983148 983141983155983142983157983141983154983162983151 983141983150 983141983148 983155983157983141983148983151 983139983151983150 983141983148 983152983137983155983151 983140983141 983157983150 983158983141983144983277983139983157983148983151
983109 983155 983142 983157 983141 983154 983162 983151
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
8202019 Generalidades de pavimentos
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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Figura 2 Construccioacuten de calzadas en el Imperio Romano
12 TIPOS DE PAVIMENTOS
Las estructuras de pavimento estaacuten formadas por capas de diversos tipos de
materiales y pueden variar ostensiblemente en funcioacuten de las fuentes de
materiales disponibles en cada regioacuten sin embargo se suelen distinguir los
siguientes tipos de pavimento
Pavimento flexible
Pavimento de capa asfaacuteltica gruesa
Pavimento riacutegido
Pavimento semi-riacutegido o compuesto
Pavimento articulado
Pavimento de estructura inversa
121 Pavimento flexible
Este tipo de pavimentos estaacute conformado por una delgada capa superficial
construida sobre una o dos capas de material granular denominadas base y
subbase las cuales se asientan sobre un suelo o capa denominada
8202019 Generalidades de pavimentos
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subrasante La capa superficial estaacute constituida por agregados peacutetreos tratados
con ligantes bituminosos Se le denomina pavimento flexible porque debido a
las caracteriacutesticas viscoelaacutesticas del bitumen en comparacioacuten con otros tipos
de pavimento las cargas producen mayores deformaciones
Figura 3 Estructura tiacutepica de un pavimento flexible
La fundacioacuten del pavimento o subrasante
Despueacutes de realizar las explanaciones para la construccioacuten de una carreteralos materiales naturales que quedan expuestos en los cortes o en la parte
superior de los terraplenes no tienen capacidad mecaacutenica suficiente para
soportar las cargas de los vehiacuteculos para aumentar su resistencia se compacta
un espesor de suelo del orden de 20 cm y el conjunto suelo natural-capa de
suelo compactado conforman el cimiento o subrasante del pavimento
La Base y La Subbase
La capa de base es la porcioacuten de la estructura de pavimento flexible
inmediatamente debajo de la capa superficial La funcioacuten fundamental de esta
capa es proporcionar un elemento resistente que atenuacutee los esfuerzos
producidos por las cargas de traacutensito para transmitirlos a la subrasante La
base comuacutenmente consta de agregados como piedra triturada escoria triturada
Carpeta asfaacuteltica
Base
Subbase
Suelo compactado
SubrasanteSuelo natural
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o grava triturada o sin triturar y arena o la combinacioacuten de estos materiales
Como la parte inferior de esta capa va a estar sometida a menores esfuerzos
es posible reducir las caracteriacutesticas de resistencia mecaacutenica del material en
esta porcioacuten y transformarla en dos capas la superior o capa de base
propiamente dicha y la capa inferior denominada subbase Lasespecificaciones para materiales de capa de base son superiores a las de
materiales de subbase en los requerimientos de resistencia estabilidad
dureza tipos de agregados y gradacioacuten
La capa de subbase se usa en general para reducir el costo total de
construccioacuten del pavimento La subbase puede omitirse si el espesor total de
pavimento es relativamente delgado o si los suelos de la subrasante son de
alta calidad
Ademaacutes de su funcioacuten principal las capas de subbase deben cumplir con otras
funciones secundarias como
Evitar que los suelos de grano fino del lecho del camino se filtren dentro de
las capas de base Si la subbase estaacute destinada a servir para este
propoacutesito se deben especificar materiales de gradacioacuten densa o bien
gradados
Reducir los efectos de la congelacioacuten Para este propoacutesito se deben
especificar materiales no susceptibles a la accioacuten perjudicial del
congelamiento
Ayuda a evitar la acumulacioacuten de agua libre dentro o debajo de la
estructura del pavimento Se debe especificar material que drene el agua de
una forma relativamente raacutepida y se deben proporcionar los medios de
colectar y eliminar el agua acumulada en la subbase
Impide que el agua de la subrasante ascienda por capilaridad y evita que el
pavimento se degrade
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Debe transmitir en forma adecuada los esfuerzos a la subrasante
En los cortes de roca proveer una plataforma de trabajo para equipo de
construccioacuten o para construir las capas superiores del pavimento
Capa superficial
Ademaacutes de su funcioacuten como una parte estructural del pavimento la capa
superficial se debe proyectar para resistir las fuerzas abrasivas de traacutefico
limitar la cantidad de agua superficial que penetra en el pavimento proveer una
superficie resistente a deslizamiento y proporcionar una superficie uniforme y
estable de color y textura conveniente para proveer un excelente servicio a los
usuarios de la viacutea La capa superficial tambieacuten debe ser durable capaz de
resistir fracturas y desmoronamientos sin llegar a ser inestable en las
condiciones del traacutefico y del clima
Comuacutenmente construida sobre una capa de base la capa superficial de una
estructura de pavimento flexible consta de una mezcla de agregados minerales
y de materiales bituminosos
122 Pavimento de capa asfaacuteltica gruesa
Los pavimentos de capa asfaacuteltica gruesa estaacuten conformados por dos o maacutes
capas de mezcla asfaacuteltica en caliente colocadas directamente en el suelo por
lo que tambieacuten se conoce como estructura full-depth Este tipo de pavimento ha
evolucionado y se considera que se deben construir tres capas asfaacutelticas cada
una de ellas concebida para un desempentildeo particular en la estructura La capa
superficial debe garantizar adherencia con las llantas de los vehiacuteculos y baja
deformacioacuten a altas temperaturas la capa intermedia debe tener alta
resistencia a la deformacioacuten y la capa inferior debe garantizar alta resistencia a
la fatiga
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Figura 4 Estructura de pavimento de capa asfaacuteltica gruesa
123 Pavimentos Riacutegidos
Este tipo de pavimento esta constituido por losas de concreto hidraacuteulico las
cuales estaacuten apoyadas sobre la subrasante o sobre una capa formada con
materiales seleccionados denominada subbase del pavimento riacutegido Este tipo
de estructura debido a su gran rigidez transmite los esfuerzos a una zona muy
amplia de las capas inferiores
Figura 5 Estructura de pavimento riacutegido
Losa de concreto
Subbase
Suelo compactado
Suelo natural
Suelo natural
Suelo compactado
Subrasante
Carpeta asfaacuteltica
Subrasante
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La subbase
La subbase en un pavimento riacutegido es la capa encargada de impedir el bombeo
entre las juntas grietas y extremos del pavimento Se entiende como bombeo a
la evacuacioacuten de material fino de la estructura de pavimento debido a lainfiltracioacuten de agua a traveacutes de las juntas de las losas Esta agua infiltrada
causa un efecto de licuacioacuten en el material fino de la subrasante haciendo mas
faacutecil su evacuacioacuten a la superficie al estar sometidos a las presiones ejercidas
por el transito sobre las losas
Figura 6 Fenoacutemeno de bombeo
Asiacute mismo esta capa funciona como elemento de transicioacuten y subministra un
apoyo estable y permanente del pavimento Adicionalmente mejora
notablemente el drenaje de la estructura y ayuda a evitar la acumulacioacuten de
agua debajo de las losas Tambieacuten aumenta la capacidad de soporte de suelo
de subrasante
Losa de concreto
Las funciones de la losas de concreto en un pavimento riacutegido son las mismas
que cumple la carpeta asfaacuteltica en un pavimento flexible y a su vez las losas de
concreto deben cumplir la funcioacuten estructural de soportar y transmitir un nivel
de esfuerzos adecuado a las capacidades mecaacutenicas de las capas inferiores
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124 Pavimento Compuesto o Semi-riacutegido
La estructura de este tipo de pavimento es muy similar a la de un pavimento
flexible la diferencia radica en que una de sus capas es muy riacutegida porque seha estabilizado con cal cemento o alguacuten producto quiacutemico El propoacutesito de
estos aditivos es mejorar o modificar las caracteriacutesticas mecaacutenicas de los
materiales ya que no son las ideales teniendo en cuenta que los materiales
apropiados para dicha obra estaacuten muy distantes y su adquisicioacuten aumentariacutea
notablemente los costos de la construccioacuten La funcioacuten de la capa estabilizada
es proporcionar una base muy fuerte y la mezcla asfaacuteltica proporciona una
superficie uniforme no reflectiva y que garantiza adherencia con las llantas de
los vehiacuteculos
Figura 7 Estructura de capas de un pavimento semi-riacutegido
125 Pavimento de estructura inversa
El pavimento de estructura inversa se caracteriza por tener mayor espesor y
rigidez en las capas de apoyo que en las capas de la parte superior de la
estructura Entre las capas que conforman este pavimento se encuentra una
capa base tratada con cemento portland la cual actuacutea como una soacutelida
plataforma de trabajo para la construccioacuten de la capa base granular y ademaacutes
reduce las tensiones en la base granular y en la capa de asfalto La capa de
Subrasante
Suelo natural
Suelo compactado
Base tratada
Concreto asfaacuteltico
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grava no tratada o base granular impide el remonte de fisuras transversales de
retraccioacuten que se producen en la capa tratada con cemento
Figura 8 Pavimento de estructura inversa
126 Pavimento Articulado
Los pavimentos articulados estaacuten formados por una capa de rodadura la cual
esta elaborada con bloques de concreto o piedra (adoquines) Estos se pueden
colocar sobre una capa delgada de arena la cual a su vez se apoya sobre una
capa de base granular o directamente sobre la subrasante dependiendo de la
calidad de esta y dependiendo de la magnitud y frecuencia de las cargas que
circulan por la viacutea
Figura 9 Estructura de pavimento articulado
Capa de arena
Subrasante
Suelo compactado
Suelo natural
Adoquines
Base
Subbase granular
Capa tratada con cemento portland
Suelo compactado
Suelo natural
Base Granular
Concreto asfaacuteltico
Subrasante
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La Base
Es la capa colocada entre la subrasante y la capa de rodadura La funcioacuten
primordial de esta capa es aumentar la capacidad de la estructura de
pavimento Esta capa puede estar compuesta por dos o maacutes materialesseleccionados Se podraacuten utilizar bases de material granular suelos
estabilizados o concreto pobre
Capa de arena
Esta capa es colocada directamente sobre la base La capa de arena es de
poco espesor y el material usado es arena gruesa y limpia que sirve como
asiento para colocar uniformemente los adoquines
Adoquines
Los adoquines deben tener propiedades y caracteriacutesticas similares para poder
resistir adecuadamente las cargas de transito y fundamentalmente el desgaste
producido por eacuteste
Sello de arena
Este sello esta constituido por arena muy fina que es colocada entre las juntas
entre los adoquines y su principal funcioacuten es servir de sello a las juntas y
contribuir al funcionamiento de la estructura en conjunto con los demaacutes
elementos de la capa de rodadura La arena que se utilizaraacute para sellar las
juntas entre adoquines debe estar libre de materia orgaacutenica y elementos
contaminantes
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2 LA FUNDACIOacuteN DEL PAVIMENTO O SUBRASANTE
La subrasante es aquella parte de la estructura que tiene como funcioacuten servir
de soporte de las otras capas del pavimento De la calidad de esta capa
depende en gran medida el espesor que debe tener un pavimento
Para dimensionar un pavimento es necesario determinar la capacidad
mecaacutenica de los suelos que serviraacuten de fundacioacuten a las capas de la estructura
la sensibilidad del suelo a la humedad en lo que se refiere a la resistencia como
a las eventuales variacioacuten de volumen (hinchamiento y retraccioacuten)
Como paraacutemetro de caracterizacioacuten se emplea la rigidez del suelo o resistencia
a la deformacioacuten bajo las cargas de traacutensito La subrasante se puede construir
con suelos en su estado natural o suelos con alguacuten proceso de mejoramiento
como la estabilizacioacuten mecaacutenica o quiacutemica entre otras
Ciertos materiales resultan inapropiados como material de subrasante como
por ejemplo los Suelos clasificados como A-8 (seguacuten AASHTO) debido a que
son altamente compresibles estaacuten conformados principalmente de materia
orgaacutenica y tienen una baja resistencia al corte
21 ANAacuteLISIS PARA DETERMINAR LAS CARACTERIacuteSTICAS DE UN
SUELO PARA SUBRASANTE
El estudio de la subrasante para disentildeo de pavimentos comprende diferentes
etapas
211 Fase de seleccioacuten de unidades homogeacuteneas de disentildeo Debido a la
extensioacuten de las zonas que atraviesa una carretera el pavimento se apoya
sobre diversos tipos de formaciones geoloacutegicas y en consecuencia en un tramo
de carretera se pueden presentar diversos tipos de suelos en la subrasante
Para definir una capacidad de soporte es necesario separar por zonas o
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unidades donde los materiales encontrados presenten caracteriacutesticas similares
La delimitacioacuten de las unidades homogeacuteneas de disentildeo se realiza con base en
las caracteriacutesticas geoteacutecnicas climaacutetica topograacuteficas y de drenaje
Figura 10 Ejemplo de zonas geoloacutegicas atravesadas por una carretera
a Delimitacioacuten de formaciones geoloacutegicas Una primera sectorizacioacuten se puede
realizar con base en el estudio de las formaciones geoloacutegicas que sean
identificadas en el trazado del proyecto vial Con base en un mapa en el que se
localicen las formaciones de suelos y el trazado de la viacutea se establecen las
abscisas de inicio y finalizacioacuten de una unidad de disentildeo
b Determinacioacuten del perfil geoteacutecnico de los suelos De manera mas precisa la
ejecucioacuten de perforaciones en el terreno permite identificar las cantidades y
extensiones de suelos existentes en la zona del proyecto la manera como
estos estaacuten dispuestos en capas y conocer profundidades de ubicacioacuten del
nivel freaacutetico El nuacutemero de perforaciones necesarias para conocer el perfil del
suelo se basa en la experiencia dependiendo de a uniformidad del suelo Un
menor nuacutemero de muestras o un mayor espaciamiento de las perforaciones
conlleva mayores riesgos en el disentildeo un nuacutemero muy grande de muestras
genera un elevado costo de la fase de disentildeo El espaciamiento de las
8202019 Generalidades de pavimentos
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perforaciones deberiacutea ser el menor posible y que permita mantener los costos
del disentildeo en liacutemites razonables
En viacuteas con altos voluacutemenes de traacutensito se deberiacutea reducir el riesgo de que la
estructura de pavimento quede cimentada en materiales que no fueronensayados durante la etapa de disentildeo En los sitios donde los materiales
tuviesen una menor capacidad de soporte que la de disentildeo el pavimento se
degradariacutea tempranamente y las reparaciones respectivas ocasionariacutean cierres
molestias y mayores costos de operacioacuten a un gran nuacutemero de usuarios de la
viacutea
La presencia de camiones con mayores cargas por eje altera los esfuerzos en
capas de suelos que se encuentran a mayor profundidad Para la ubicacioacuten
profundidad y definicioacuten del nuacutemero de perforaciones podriacutea adoptarse como
guiacutea
En proyectos de construccioacuten de viacuteas importantes un sondeo cada 250
metros obteniendo muestras de suelos hasta 15 metros de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
En proyectos viales de bajo volumen de traacutensito un sondeo cada 500
metros obteniendo muestras de suelos hasta 10 metro de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
Los datos que se deben tomar de cada una de las perforaciones realizadas
son el espesor de las capas encontradas y su posicioacuten exacta en sentido
vertical asiacute como la identificacioacuten visual de los materiales indicando su
color y consistencia Ademaacutes se debe registrar la posicioacuten del nivel freaacutetico
en caso de observar su presencia
Se debe tomar una muestra de las diferentes capas de suelo encontradas
en cada perforacioacuten realizada dichas muestras pueden ser alteradas o
inalteradas
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c Ensayos de laboratorio a las muestras obtenidas para determinar sus
propiedades generales en relacioacuten con la estabilidad y capacidad de
soporte de la subrasante Es necesario establecer las propiedades fiacutesicas
de cada uno de los suelos muestreados y tambieacuten conocer su
comportamiento bajo diversas condiciones por esta razoacuten se realizandiversas pruebas como
Determinacioacuten del contenido de humedad liacutemite plaacutestico y liacutemite liquido
El contenido de humedad de un suelo puede indicar posibles
comportamientos del mismo al ser utilizados como subrasante pues si el
contenido de agua esta cerca del liacutemite liacutequido es probable que el suelo
sea da baja capacidad portante y si el contenido de agua por el
contrario es cercano al liacutemite plaacutestico este tipo de suelo podriacutea
presentar una mayor resistencia mecaacutenica
Anaacutelisis de granulometriacutea Los resultados de esta prueba permiten
clasificar el suelo el cual puede pertenecer a alguno de los siguientes
grupos o ser una combinacioacuten de los mismos
bull Grava Estos aacuteridos son partiacuteculas granulares de material peacutetreo de
tamantildeo que se origina por fragmentacioacuten de las distintas rocas de la
corteza terrestre ya sea en forma natural o artificial Como subrasante
de un pavimento es muy estable ofrece una alta capacidad portante y
permitiriacutea construir una estructura de menor espesor
bull Arena Son partiacuteculas de tamantildeo medio con menor capacidad de
soporte que las gravas pero superior a la de los suelos finos como
arcillas y limos
bull Limo Los limos son fracciones microscoacutepicas del suelo de tamantildeo
intermedio entre la arcilla y la arena Su capacidad de soporte variacutea
de baja a media
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bull Arcilla Las arcillas son principalmente partiacuteculas submicroscoacutepicas
en forma de escamas las cuales presentan muy poco espacio entre
si La arcilla tiene la habilidad de retener el agua Se caracteriza por
un pobre drenaje y baja capacidad portante
Determinacioacuten de densidad de campo y grado de compactacioacuten del
suelo Alta densidad de los suelos se relaciona con alta resistencia
d Determinacioacuten del suelo tiacutepico de subrasante para una unidad de disentildeo
despueacutes de determinar las propiedades de las diferentes capas de suelo
como son granulometriacutea el limite liquido y limite plaacutestico se procede a
dibujar un perfil del suelo el cual permite identificar las caracteriacutesticas
propias del terreno donde se va a ejecutar la obra y delimitar las zonas que
se van a considerar homogeacuteneas
212 Fase de seleccioacuten de la resistencia o capacidad de soporte para
disentildeo Los suelos de subrasante normalmente no alcanzan la falla por
esfuerzo cortante pero los pavimentos fallan por deformaciones y fisuras Las
deformaciones se acumulan y se hacen notorias despueacutes del paso de muchas
repeticiones de carga y las fisuras aparecen en los materiales tratados con
ligantes debido a la fatiga por la aplicacioacuten reiterada de cargas
En la caracterizacioacuten mecaacutenica de un suelo de subrasante es maacutes importante
establecer las relaciones esfuerzo-deformacioacuten ante un gran nuacutemero de
solicitaciones de carga que la capacidad uacuteltima de los materiales bajo una
carga de mayor magnitud
Modulo resiliente
El paraacutemetro mas empleado para definir la capacidad de soporte de una
subrasante es el moacutedulo resiliente paraacutemetro similar al moacutedulo elaacutestico de un
material pero en el cual las deformaciones que se emplean solamente incluyen
la componente recuperable de las mismas
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cuperableaxialn Deformacioacute
axial Esfuerzo Mr siliente Moacutedulo
Re)(Re =
bull El moacutedulo resiliente proporciona la relacioacuten baacutesica entre esfuerzo y
deformacioacuten de los materiales y es un paraacutemetro usado en el anaacutelisisestructural de sistemas estratificados Este ensayo se realiza teniendo en
cuenta diversas condiciones ambientales y de estado de esfuerzos las
cuales simulan las cargas de traacutensito a las que se someteraacute la estructura
Una rueda que se mueve imparte un pulso dinaacutemico a todas las capas
de pavimento y a la subrasante Como respuesta a este pulso dinaacutemico
cada capa de pavimento sufre una deflexioacuten El pulso solicitante variacutea
desde un valor muy bajo hasta un maacuteximo en un breve periodo en
funcioacuten de la velocidad del vehiculo
Figura 11 Esfuerzos en la subrasante con el paso de una llanta de vehiacuteculo
Para tratar de simular en laboratorio este tipo de solicitacioacuten se practican
ensayos triaxiales sobre una muestra de suelo aplicando diversas
presiones de confinamiento y pulsos de carga axiales que ejemplifican la
carga de la llanta
983126983137983154983145983137983139983145983283983150 983140983141983148 983141983155983142983157983141983154983162983151 983141983150 983141983148 983155983157983141983148983151 983139983151983150 983141983148 983152983137983155983151 983140983141 983157983150 983158983141983144983277983139983157983148983151
983109 983155 983142 983157 983141 983154 983162 983151
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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subrasante La capa superficial estaacute constituida por agregados peacutetreos tratados
con ligantes bituminosos Se le denomina pavimento flexible porque debido a
las caracteriacutesticas viscoelaacutesticas del bitumen en comparacioacuten con otros tipos
de pavimento las cargas producen mayores deformaciones
Figura 3 Estructura tiacutepica de un pavimento flexible
La fundacioacuten del pavimento o subrasante
Despueacutes de realizar las explanaciones para la construccioacuten de una carreteralos materiales naturales que quedan expuestos en los cortes o en la parte
superior de los terraplenes no tienen capacidad mecaacutenica suficiente para
soportar las cargas de los vehiacuteculos para aumentar su resistencia se compacta
un espesor de suelo del orden de 20 cm y el conjunto suelo natural-capa de
suelo compactado conforman el cimiento o subrasante del pavimento
La Base y La Subbase
La capa de base es la porcioacuten de la estructura de pavimento flexible
inmediatamente debajo de la capa superficial La funcioacuten fundamental de esta
capa es proporcionar un elemento resistente que atenuacutee los esfuerzos
producidos por las cargas de traacutensito para transmitirlos a la subrasante La
base comuacutenmente consta de agregados como piedra triturada escoria triturada
Carpeta asfaacuteltica
Base
Subbase
Suelo compactado
SubrasanteSuelo natural
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o grava triturada o sin triturar y arena o la combinacioacuten de estos materiales
Como la parte inferior de esta capa va a estar sometida a menores esfuerzos
es posible reducir las caracteriacutesticas de resistencia mecaacutenica del material en
esta porcioacuten y transformarla en dos capas la superior o capa de base
propiamente dicha y la capa inferior denominada subbase Lasespecificaciones para materiales de capa de base son superiores a las de
materiales de subbase en los requerimientos de resistencia estabilidad
dureza tipos de agregados y gradacioacuten
La capa de subbase se usa en general para reducir el costo total de
construccioacuten del pavimento La subbase puede omitirse si el espesor total de
pavimento es relativamente delgado o si los suelos de la subrasante son de
alta calidad
Ademaacutes de su funcioacuten principal las capas de subbase deben cumplir con otras
funciones secundarias como
Evitar que los suelos de grano fino del lecho del camino se filtren dentro de
las capas de base Si la subbase estaacute destinada a servir para este
propoacutesito se deben especificar materiales de gradacioacuten densa o bien
gradados
Reducir los efectos de la congelacioacuten Para este propoacutesito se deben
especificar materiales no susceptibles a la accioacuten perjudicial del
congelamiento
Ayuda a evitar la acumulacioacuten de agua libre dentro o debajo de la
estructura del pavimento Se debe especificar material que drene el agua de
una forma relativamente raacutepida y se deben proporcionar los medios de
colectar y eliminar el agua acumulada en la subbase
Impide que el agua de la subrasante ascienda por capilaridad y evita que el
pavimento se degrade
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Debe transmitir en forma adecuada los esfuerzos a la subrasante
En los cortes de roca proveer una plataforma de trabajo para equipo de
construccioacuten o para construir las capas superiores del pavimento
Capa superficial
Ademaacutes de su funcioacuten como una parte estructural del pavimento la capa
superficial se debe proyectar para resistir las fuerzas abrasivas de traacutefico
limitar la cantidad de agua superficial que penetra en el pavimento proveer una
superficie resistente a deslizamiento y proporcionar una superficie uniforme y
estable de color y textura conveniente para proveer un excelente servicio a los
usuarios de la viacutea La capa superficial tambieacuten debe ser durable capaz de
resistir fracturas y desmoronamientos sin llegar a ser inestable en las
condiciones del traacutefico y del clima
Comuacutenmente construida sobre una capa de base la capa superficial de una
estructura de pavimento flexible consta de una mezcla de agregados minerales
y de materiales bituminosos
122 Pavimento de capa asfaacuteltica gruesa
Los pavimentos de capa asfaacuteltica gruesa estaacuten conformados por dos o maacutes
capas de mezcla asfaacuteltica en caliente colocadas directamente en el suelo por
lo que tambieacuten se conoce como estructura full-depth Este tipo de pavimento ha
evolucionado y se considera que se deben construir tres capas asfaacutelticas cada
una de ellas concebida para un desempentildeo particular en la estructura La capa
superficial debe garantizar adherencia con las llantas de los vehiacuteculos y baja
deformacioacuten a altas temperaturas la capa intermedia debe tener alta
resistencia a la deformacioacuten y la capa inferior debe garantizar alta resistencia a
la fatiga
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Figura 4 Estructura de pavimento de capa asfaacuteltica gruesa
123 Pavimentos Riacutegidos
Este tipo de pavimento esta constituido por losas de concreto hidraacuteulico las
cuales estaacuten apoyadas sobre la subrasante o sobre una capa formada con
materiales seleccionados denominada subbase del pavimento riacutegido Este tipo
de estructura debido a su gran rigidez transmite los esfuerzos a una zona muy
amplia de las capas inferiores
Figura 5 Estructura de pavimento riacutegido
Losa de concreto
Subbase
Suelo compactado
Suelo natural
Suelo natural
Suelo compactado
Subrasante
Carpeta asfaacuteltica
Subrasante
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La subbase
La subbase en un pavimento riacutegido es la capa encargada de impedir el bombeo
entre las juntas grietas y extremos del pavimento Se entiende como bombeo a
la evacuacioacuten de material fino de la estructura de pavimento debido a lainfiltracioacuten de agua a traveacutes de las juntas de las losas Esta agua infiltrada
causa un efecto de licuacioacuten en el material fino de la subrasante haciendo mas
faacutecil su evacuacioacuten a la superficie al estar sometidos a las presiones ejercidas
por el transito sobre las losas
Figura 6 Fenoacutemeno de bombeo
Asiacute mismo esta capa funciona como elemento de transicioacuten y subministra un
apoyo estable y permanente del pavimento Adicionalmente mejora
notablemente el drenaje de la estructura y ayuda a evitar la acumulacioacuten de
agua debajo de las losas Tambieacuten aumenta la capacidad de soporte de suelo
de subrasante
Losa de concreto
Las funciones de la losas de concreto en un pavimento riacutegido son las mismas
que cumple la carpeta asfaacuteltica en un pavimento flexible y a su vez las losas de
concreto deben cumplir la funcioacuten estructural de soportar y transmitir un nivel
de esfuerzos adecuado a las capacidades mecaacutenicas de las capas inferiores
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124 Pavimento Compuesto o Semi-riacutegido
La estructura de este tipo de pavimento es muy similar a la de un pavimento
flexible la diferencia radica en que una de sus capas es muy riacutegida porque seha estabilizado con cal cemento o alguacuten producto quiacutemico El propoacutesito de
estos aditivos es mejorar o modificar las caracteriacutesticas mecaacutenicas de los
materiales ya que no son las ideales teniendo en cuenta que los materiales
apropiados para dicha obra estaacuten muy distantes y su adquisicioacuten aumentariacutea
notablemente los costos de la construccioacuten La funcioacuten de la capa estabilizada
es proporcionar una base muy fuerte y la mezcla asfaacuteltica proporciona una
superficie uniforme no reflectiva y que garantiza adherencia con las llantas de
los vehiacuteculos
Figura 7 Estructura de capas de un pavimento semi-riacutegido
125 Pavimento de estructura inversa
El pavimento de estructura inversa se caracteriza por tener mayor espesor y
rigidez en las capas de apoyo que en las capas de la parte superior de la
estructura Entre las capas que conforman este pavimento se encuentra una
capa base tratada con cemento portland la cual actuacutea como una soacutelida
plataforma de trabajo para la construccioacuten de la capa base granular y ademaacutes
reduce las tensiones en la base granular y en la capa de asfalto La capa de
Subrasante
Suelo natural
Suelo compactado
Base tratada
Concreto asfaacuteltico
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grava no tratada o base granular impide el remonte de fisuras transversales de
retraccioacuten que se producen en la capa tratada con cemento
Figura 8 Pavimento de estructura inversa
126 Pavimento Articulado
Los pavimentos articulados estaacuten formados por una capa de rodadura la cual
esta elaborada con bloques de concreto o piedra (adoquines) Estos se pueden
colocar sobre una capa delgada de arena la cual a su vez se apoya sobre una
capa de base granular o directamente sobre la subrasante dependiendo de la
calidad de esta y dependiendo de la magnitud y frecuencia de las cargas que
circulan por la viacutea
Figura 9 Estructura de pavimento articulado
Capa de arena
Subrasante
Suelo compactado
Suelo natural
Adoquines
Base
Subbase granular
Capa tratada con cemento portland
Suelo compactado
Suelo natural
Base Granular
Concreto asfaacuteltico
Subrasante
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La Base
Es la capa colocada entre la subrasante y la capa de rodadura La funcioacuten
primordial de esta capa es aumentar la capacidad de la estructura de
pavimento Esta capa puede estar compuesta por dos o maacutes materialesseleccionados Se podraacuten utilizar bases de material granular suelos
estabilizados o concreto pobre
Capa de arena
Esta capa es colocada directamente sobre la base La capa de arena es de
poco espesor y el material usado es arena gruesa y limpia que sirve como
asiento para colocar uniformemente los adoquines
Adoquines
Los adoquines deben tener propiedades y caracteriacutesticas similares para poder
resistir adecuadamente las cargas de transito y fundamentalmente el desgaste
producido por eacuteste
Sello de arena
Este sello esta constituido por arena muy fina que es colocada entre las juntas
entre los adoquines y su principal funcioacuten es servir de sello a las juntas y
contribuir al funcionamiento de la estructura en conjunto con los demaacutes
elementos de la capa de rodadura La arena que se utilizaraacute para sellar las
juntas entre adoquines debe estar libre de materia orgaacutenica y elementos
contaminantes
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2 LA FUNDACIOacuteN DEL PAVIMENTO O SUBRASANTE
La subrasante es aquella parte de la estructura que tiene como funcioacuten servir
de soporte de las otras capas del pavimento De la calidad de esta capa
depende en gran medida el espesor que debe tener un pavimento
Para dimensionar un pavimento es necesario determinar la capacidad
mecaacutenica de los suelos que serviraacuten de fundacioacuten a las capas de la estructura
la sensibilidad del suelo a la humedad en lo que se refiere a la resistencia como
a las eventuales variacioacuten de volumen (hinchamiento y retraccioacuten)
Como paraacutemetro de caracterizacioacuten se emplea la rigidez del suelo o resistencia
a la deformacioacuten bajo las cargas de traacutensito La subrasante se puede construir
con suelos en su estado natural o suelos con alguacuten proceso de mejoramiento
como la estabilizacioacuten mecaacutenica o quiacutemica entre otras
Ciertos materiales resultan inapropiados como material de subrasante como
por ejemplo los Suelos clasificados como A-8 (seguacuten AASHTO) debido a que
son altamente compresibles estaacuten conformados principalmente de materia
orgaacutenica y tienen una baja resistencia al corte
21 ANAacuteLISIS PARA DETERMINAR LAS CARACTERIacuteSTICAS DE UN
SUELO PARA SUBRASANTE
El estudio de la subrasante para disentildeo de pavimentos comprende diferentes
etapas
211 Fase de seleccioacuten de unidades homogeacuteneas de disentildeo Debido a la
extensioacuten de las zonas que atraviesa una carretera el pavimento se apoya
sobre diversos tipos de formaciones geoloacutegicas y en consecuencia en un tramo
de carretera se pueden presentar diversos tipos de suelos en la subrasante
Para definir una capacidad de soporte es necesario separar por zonas o
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unidades donde los materiales encontrados presenten caracteriacutesticas similares
La delimitacioacuten de las unidades homogeacuteneas de disentildeo se realiza con base en
las caracteriacutesticas geoteacutecnicas climaacutetica topograacuteficas y de drenaje
Figura 10 Ejemplo de zonas geoloacutegicas atravesadas por una carretera
a Delimitacioacuten de formaciones geoloacutegicas Una primera sectorizacioacuten se puede
realizar con base en el estudio de las formaciones geoloacutegicas que sean
identificadas en el trazado del proyecto vial Con base en un mapa en el que se
localicen las formaciones de suelos y el trazado de la viacutea se establecen las
abscisas de inicio y finalizacioacuten de una unidad de disentildeo
b Determinacioacuten del perfil geoteacutecnico de los suelos De manera mas precisa la
ejecucioacuten de perforaciones en el terreno permite identificar las cantidades y
extensiones de suelos existentes en la zona del proyecto la manera como
estos estaacuten dispuestos en capas y conocer profundidades de ubicacioacuten del
nivel freaacutetico El nuacutemero de perforaciones necesarias para conocer el perfil del
suelo se basa en la experiencia dependiendo de a uniformidad del suelo Un
menor nuacutemero de muestras o un mayor espaciamiento de las perforaciones
conlleva mayores riesgos en el disentildeo un nuacutemero muy grande de muestras
genera un elevado costo de la fase de disentildeo El espaciamiento de las
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perforaciones deberiacutea ser el menor posible y que permita mantener los costos
del disentildeo en liacutemites razonables
En viacuteas con altos voluacutemenes de traacutensito se deberiacutea reducir el riesgo de que la
estructura de pavimento quede cimentada en materiales que no fueronensayados durante la etapa de disentildeo En los sitios donde los materiales
tuviesen una menor capacidad de soporte que la de disentildeo el pavimento se
degradariacutea tempranamente y las reparaciones respectivas ocasionariacutean cierres
molestias y mayores costos de operacioacuten a un gran nuacutemero de usuarios de la
viacutea
La presencia de camiones con mayores cargas por eje altera los esfuerzos en
capas de suelos que se encuentran a mayor profundidad Para la ubicacioacuten
profundidad y definicioacuten del nuacutemero de perforaciones podriacutea adoptarse como
guiacutea
En proyectos de construccioacuten de viacuteas importantes un sondeo cada 250
metros obteniendo muestras de suelos hasta 15 metros de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
En proyectos viales de bajo volumen de traacutensito un sondeo cada 500
metros obteniendo muestras de suelos hasta 10 metro de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
Los datos que se deben tomar de cada una de las perforaciones realizadas
son el espesor de las capas encontradas y su posicioacuten exacta en sentido
vertical asiacute como la identificacioacuten visual de los materiales indicando su
color y consistencia Ademaacutes se debe registrar la posicioacuten del nivel freaacutetico
en caso de observar su presencia
Se debe tomar una muestra de las diferentes capas de suelo encontradas
en cada perforacioacuten realizada dichas muestras pueden ser alteradas o
inalteradas
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c Ensayos de laboratorio a las muestras obtenidas para determinar sus
propiedades generales en relacioacuten con la estabilidad y capacidad de
soporte de la subrasante Es necesario establecer las propiedades fiacutesicas
de cada uno de los suelos muestreados y tambieacuten conocer su
comportamiento bajo diversas condiciones por esta razoacuten se realizandiversas pruebas como
Determinacioacuten del contenido de humedad liacutemite plaacutestico y liacutemite liquido
El contenido de humedad de un suelo puede indicar posibles
comportamientos del mismo al ser utilizados como subrasante pues si el
contenido de agua esta cerca del liacutemite liacutequido es probable que el suelo
sea da baja capacidad portante y si el contenido de agua por el
contrario es cercano al liacutemite plaacutestico este tipo de suelo podriacutea
presentar una mayor resistencia mecaacutenica
Anaacutelisis de granulometriacutea Los resultados de esta prueba permiten
clasificar el suelo el cual puede pertenecer a alguno de los siguientes
grupos o ser una combinacioacuten de los mismos
bull Grava Estos aacuteridos son partiacuteculas granulares de material peacutetreo de
tamantildeo que se origina por fragmentacioacuten de las distintas rocas de la
corteza terrestre ya sea en forma natural o artificial Como subrasante
de un pavimento es muy estable ofrece una alta capacidad portante y
permitiriacutea construir una estructura de menor espesor
bull Arena Son partiacuteculas de tamantildeo medio con menor capacidad de
soporte que las gravas pero superior a la de los suelos finos como
arcillas y limos
bull Limo Los limos son fracciones microscoacutepicas del suelo de tamantildeo
intermedio entre la arcilla y la arena Su capacidad de soporte variacutea
de baja a media
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bull Arcilla Las arcillas son principalmente partiacuteculas submicroscoacutepicas
en forma de escamas las cuales presentan muy poco espacio entre
si La arcilla tiene la habilidad de retener el agua Se caracteriza por
un pobre drenaje y baja capacidad portante
Determinacioacuten de densidad de campo y grado de compactacioacuten del
suelo Alta densidad de los suelos se relaciona con alta resistencia
d Determinacioacuten del suelo tiacutepico de subrasante para una unidad de disentildeo
despueacutes de determinar las propiedades de las diferentes capas de suelo
como son granulometriacutea el limite liquido y limite plaacutestico se procede a
dibujar un perfil del suelo el cual permite identificar las caracteriacutesticas
propias del terreno donde se va a ejecutar la obra y delimitar las zonas que
se van a considerar homogeacuteneas
212 Fase de seleccioacuten de la resistencia o capacidad de soporte para
disentildeo Los suelos de subrasante normalmente no alcanzan la falla por
esfuerzo cortante pero los pavimentos fallan por deformaciones y fisuras Las
deformaciones se acumulan y se hacen notorias despueacutes del paso de muchas
repeticiones de carga y las fisuras aparecen en los materiales tratados con
ligantes debido a la fatiga por la aplicacioacuten reiterada de cargas
En la caracterizacioacuten mecaacutenica de un suelo de subrasante es maacutes importante
establecer las relaciones esfuerzo-deformacioacuten ante un gran nuacutemero de
solicitaciones de carga que la capacidad uacuteltima de los materiales bajo una
carga de mayor magnitud
Modulo resiliente
El paraacutemetro mas empleado para definir la capacidad de soporte de una
subrasante es el moacutedulo resiliente paraacutemetro similar al moacutedulo elaacutestico de un
material pero en el cual las deformaciones que se emplean solamente incluyen
la componente recuperable de las mismas
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cuperableaxialn Deformacioacute
axial Esfuerzo Mr siliente Moacutedulo
Re)(Re =
bull El moacutedulo resiliente proporciona la relacioacuten baacutesica entre esfuerzo y
deformacioacuten de los materiales y es un paraacutemetro usado en el anaacutelisisestructural de sistemas estratificados Este ensayo se realiza teniendo en
cuenta diversas condiciones ambientales y de estado de esfuerzos las
cuales simulan las cargas de traacutensito a las que se someteraacute la estructura
Una rueda que se mueve imparte un pulso dinaacutemico a todas las capas
de pavimento y a la subrasante Como respuesta a este pulso dinaacutemico
cada capa de pavimento sufre una deflexioacuten El pulso solicitante variacutea
desde un valor muy bajo hasta un maacuteximo en un breve periodo en
funcioacuten de la velocidad del vehiculo
Figura 11 Esfuerzos en la subrasante con el paso de una llanta de vehiacuteculo
Para tratar de simular en laboratorio este tipo de solicitacioacuten se practican
ensayos triaxiales sobre una muestra de suelo aplicando diversas
presiones de confinamiento y pulsos de carga axiales que ejemplifican la
carga de la llanta
983126983137983154983145983137983139983145983283983150 983140983141983148 983141983155983142983157983141983154983162983151 983141983150 983141983148 983155983157983141983148983151 983139983151983150 983141983148 983152983137983155983151 983140983141 983157983150 983158983141983144983277983139983157983148983151
983109 983155 983142 983157 983141 983154 983162 983151
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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o grava triturada o sin triturar y arena o la combinacioacuten de estos materiales
Como la parte inferior de esta capa va a estar sometida a menores esfuerzos
es posible reducir las caracteriacutesticas de resistencia mecaacutenica del material en
esta porcioacuten y transformarla en dos capas la superior o capa de base
propiamente dicha y la capa inferior denominada subbase Lasespecificaciones para materiales de capa de base son superiores a las de
materiales de subbase en los requerimientos de resistencia estabilidad
dureza tipos de agregados y gradacioacuten
La capa de subbase se usa en general para reducir el costo total de
construccioacuten del pavimento La subbase puede omitirse si el espesor total de
pavimento es relativamente delgado o si los suelos de la subrasante son de
alta calidad
Ademaacutes de su funcioacuten principal las capas de subbase deben cumplir con otras
funciones secundarias como
Evitar que los suelos de grano fino del lecho del camino se filtren dentro de
las capas de base Si la subbase estaacute destinada a servir para este
propoacutesito se deben especificar materiales de gradacioacuten densa o bien
gradados
Reducir los efectos de la congelacioacuten Para este propoacutesito se deben
especificar materiales no susceptibles a la accioacuten perjudicial del
congelamiento
Ayuda a evitar la acumulacioacuten de agua libre dentro o debajo de la
estructura del pavimento Se debe especificar material que drene el agua de
una forma relativamente raacutepida y se deben proporcionar los medios de
colectar y eliminar el agua acumulada en la subbase
Impide que el agua de la subrasante ascienda por capilaridad y evita que el
pavimento se degrade
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Debe transmitir en forma adecuada los esfuerzos a la subrasante
En los cortes de roca proveer una plataforma de trabajo para equipo de
construccioacuten o para construir las capas superiores del pavimento
Capa superficial
Ademaacutes de su funcioacuten como una parte estructural del pavimento la capa
superficial se debe proyectar para resistir las fuerzas abrasivas de traacutefico
limitar la cantidad de agua superficial que penetra en el pavimento proveer una
superficie resistente a deslizamiento y proporcionar una superficie uniforme y
estable de color y textura conveniente para proveer un excelente servicio a los
usuarios de la viacutea La capa superficial tambieacuten debe ser durable capaz de
resistir fracturas y desmoronamientos sin llegar a ser inestable en las
condiciones del traacutefico y del clima
Comuacutenmente construida sobre una capa de base la capa superficial de una
estructura de pavimento flexible consta de una mezcla de agregados minerales
y de materiales bituminosos
122 Pavimento de capa asfaacuteltica gruesa
Los pavimentos de capa asfaacuteltica gruesa estaacuten conformados por dos o maacutes
capas de mezcla asfaacuteltica en caliente colocadas directamente en el suelo por
lo que tambieacuten se conoce como estructura full-depth Este tipo de pavimento ha
evolucionado y se considera que se deben construir tres capas asfaacutelticas cada
una de ellas concebida para un desempentildeo particular en la estructura La capa
superficial debe garantizar adherencia con las llantas de los vehiacuteculos y baja
deformacioacuten a altas temperaturas la capa intermedia debe tener alta
resistencia a la deformacioacuten y la capa inferior debe garantizar alta resistencia a
la fatiga
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Figura 4 Estructura de pavimento de capa asfaacuteltica gruesa
123 Pavimentos Riacutegidos
Este tipo de pavimento esta constituido por losas de concreto hidraacuteulico las
cuales estaacuten apoyadas sobre la subrasante o sobre una capa formada con
materiales seleccionados denominada subbase del pavimento riacutegido Este tipo
de estructura debido a su gran rigidez transmite los esfuerzos a una zona muy
amplia de las capas inferiores
Figura 5 Estructura de pavimento riacutegido
Losa de concreto
Subbase
Suelo compactado
Suelo natural
Suelo natural
Suelo compactado
Subrasante
Carpeta asfaacuteltica
Subrasante
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La subbase
La subbase en un pavimento riacutegido es la capa encargada de impedir el bombeo
entre las juntas grietas y extremos del pavimento Se entiende como bombeo a
la evacuacioacuten de material fino de la estructura de pavimento debido a lainfiltracioacuten de agua a traveacutes de las juntas de las losas Esta agua infiltrada
causa un efecto de licuacioacuten en el material fino de la subrasante haciendo mas
faacutecil su evacuacioacuten a la superficie al estar sometidos a las presiones ejercidas
por el transito sobre las losas
Figura 6 Fenoacutemeno de bombeo
Asiacute mismo esta capa funciona como elemento de transicioacuten y subministra un
apoyo estable y permanente del pavimento Adicionalmente mejora
notablemente el drenaje de la estructura y ayuda a evitar la acumulacioacuten de
agua debajo de las losas Tambieacuten aumenta la capacidad de soporte de suelo
de subrasante
Losa de concreto
Las funciones de la losas de concreto en un pavimento riacutegido son las mismas
que cumple la carpeta asfaacuteltica en un pavimento flexible y a su vez las losas de
concreto deben cumplir la funcioacuten estructural de soportar y transmitir un nivel
de esfuerzos adecuado a las capacidades mecaacutenicas de las capas inferiores
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124 Pavimento Compuesto o Semi-riacutegido
La estructura de este tipo de pavimento es muy similar a la de un pavimento
flexible la diferencia radica en que una de sus capas es muy riacutegida porque seha estabilizado con cal cemento o alguacuten producto quiacutemico El propoacutesito de
estos aditivos es mejorar o modificar las caracteriacutesticas mecaacutenicas de los
materiales ya que no son las ideales teniendo en cuenta que los materiales
apropiados para dicha obra estaacuten muy distantes y su adquisicioacuten aumentariacutea
notablemente los costos de la construccioacuten La funcioacuten de la capa estabilizada
es proporcionar una base muy fuerte y la mezcla asfaacuteltica proporciona una
superficie uniforme no reflectiva y que garantiza adherencia con las llantas de
los vehiacuteculos
Figura 7 Estructura de capas de un pavimento semi-riacutegido
125 Pavimento de estructura inversa
El pavimento de estructura inversa se caracteriza por tener mayor espesor y
rigidez en las capas de apoyo que en las capas de la parte superior de la
estructura Entre las capas que conforman este pavimento se encuentra una
capa base tratada con cemento portland la cual actuacutea como una soacutelida
plataforma de trabajo para la construccioacuten de la capa base granular y ademaacutes
reduce las tensiones en la base granular y en la capa de asfalto La capa de
Subrasante
Suelo natural
Suelo compactado
Base tratada
Concreto asfaacuteltico
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grava no tratada o base granular impide el remonte de fisuras transversales de
retraccioacuten que se producen en la capa tratada con cemento
Figura 8 Pavimento de estructura inversa
126 Pavimento Articulado
Los pavimentos articulados estaacuten formados por una capa de rodadura la cual
esta elaborada con bloques de concreto o piedra (adoquines) Estos se pueden
colocar sobre una capa delgada de arena la cual a su vez se apoya sobre una
capa de base granular o directamente sobre la subrasante dependiendo de la
calidad de esta y dependiendo de la magnitud y frecuencia de las cargas que
circulan por la viacutea
Figura 9 Estructura de pavimento articulado
Capa de arena
Subrasante
Suelo compactado
Suelo natural
Adoquines
Base
Subbase granular
Capa tratada con cemento portland
Suelo compactado
Suelo natural
Base Granular
Concreto asfaacuteltico
Subrasante
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La Base
Es la capa colocada entre la subrasante y la capa de rodadura La funcioacuten
primordial de esta capa es aumentar la capacidad de la estructura de
pavimento Esta capa puede estar compuesta por dos o maacutes materialesseleccionados Se podraacuten utilizar bases de material granular suelos
estabilizados o concreto pobre
Capa de arena
Esta capa es colocada directamente sobre la base La capa de arena es de
poco espesor y el material usado es arena gruesa y limpia que sirve como
asiento para colocar uniformemente los adoquines
Adoquines
Los adoquines deben tener propiedades y caracteriacutesticas similares para poder
resistir adecuadamente las cargas de transito y fundamentalmente el desgaste
producido por eacuteste
Sello de arena
Este sello esta constituido por arena muy fina que es colocada entre las juntas
entre los adoquines y su principal funcioacuten es servir de sello a las juntas y
contribuir al funcionamiento de la estructura en conjunto con los demaacutes
elementos de la capa de rodadura La arena que se utilizaraacute para sellar las
juntas entre adoquines debe estar libre de materia orgaacutenica y elementos
contaminantes
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2 LA FUNDACIOacuteN DEL PAVIMENTO O SUBRASANTE
La subrasante es aquella parte de la estructura que tiene como funcioacuten servir
de soporte de las otras capas del pavimento De la calidad de esta capa
depende en gran medida el espesor que debe tener un pavimento
Para dimensionar un pavimento es necesario determinar la capacidad
mecaacutenica de los suelos que serviraacuten de fundacioacuten a las capas de la estructura
la sensibilidad del suelo a la humedad en lo que se refiere a la resistencia como
a las eventuales variacioacuten de volumen (hinchamiento y retraccioacuten)
Como paraacutemetro de caracterizacioacuten se emplea la rigidez del suelo o resistencia
a la deformacioacuten bajo las cargas de traacutensito La subrasante se puede construir
con suelos en su estado natural o suelos con alguacuten proceso de mejoramiento
como la estabilizacioacuten mecaacutenica o quiacutemica entre otras
Ciertos materiales resultan inapropiados como material de subrasante como
por ejemplo los Suelos clasificados como A-8 (seguacuten AASHTO) debido a que
son altamente compresibles estaacuten conformados principalmente de materia
orgaacutenica y tienen una baja resistencia al corte
21 ANAacuteLISIS PARA DETERMINAR LAS CARACTERIacuteSTICAS DE UN
SUELO PARA SUBRASANTE
El estudio de la subrasante para disentildeo de pavimentos comprende diferentes
etapas
211 Fase de seleccioacuten de unidades homogeacuteneas de disentildeo Debido a la
extensioacuten de las zonas que atraviesa una carretera el pavimento se apoya
sobre diversos tipos de formaciones geoloacutegicas y en consecuencia en un tramo
de carretera se pueden presentar diversos tipos de suelos en la subrasante
Para definir una capacidad de soporte es necesario separar por zonas o
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unidades donde los materiales encontrados presenten caracteriacutesticas similares
La delimitacioacuten de las unidades homogeacuteneas de disentildeo se realiza con base en
las caracteriacutesticas geoteacutecnicas climaacutetica topograacuteficas y de drenaje
Figura 10 Ejemplo de zonas geoloacutegicas atravesadas por una carretera
a Delimitacioacuten de formaciones geoloacutegicas Una primera sectorizacioacuten se puede
realizar con base en el estudio de las formaciones geoloacutegicas que sean
identificadas en el trazado del proyecto vial Con base en un mapa en el que se
localicen las formaciones de suelos y el trazado de la viacutea se establecen las
abscisas de inicio y finalizacioacuten de una unidad de disentildeo
b Determinacioacuten del perfil geoteacutecnico de los suelos De manera mas precisa la
ejecucioacuten de perforaciones en el terreno permite identificar las cantidades y
extensiones de suelos existentes en la zona del proyecto la manera como
estos estaacuten dispuestos en capas y conocer profundidades de ubicacioacuten del
nivel freaacutetico El nuacutemero de perforaciones necesarias para conocer el perfil del
suelo se basa en la experiencia dependiendo de a uniformidad del suelo Un
menor nuacutemero de muestras o un mayor espaciamiento de las perforaciones
conlleva mayores riesgos en el disentildeo un nuacutemero muy grande de muestras
genera un elevado costo de la fase de disentildeo El espaciamiento de las
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perforaciones deberiacutea ser el menor posible y que permita mantener los costos
del disentildeo en liacutemites razonables
En viacuteas con altos voluacutemenes de traacutensito se deberiacutea reducir el riesgo de que la
estructura de pavimento quede cimentada en materiales que no fueronensayados durante la etapa de disentildeo En los sitios donde los materiales
tuviesen una menor capacidad de soporte que la de disentildeo el pavimento se
degradariacutea tempranamente y las reparaciones respectivas ocasionariacutean cierres
molestias y mayores costos de operacioacuten a un gran nuacutemero de usuarios de la
viacutea
La presencia de camiones con mayores cargas por eje altera los esfuerzos en
capas de suelos que se encuentran a mayor profundidad Para la ubicacioacuten
profundidad y definicioacuten del nuacutemero de perforaciones podriacutea adoptarse como
guiacutea
En proyectos de construccioacuten de viacuteas importantes un sondeo cada 250
metros obteniendo muestras de suelos hasta 15 metros de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
En proyectos viales de bajo volumen de traacutensito un sondeo cada 500
metros obteniendo muestras de suelos hasta 10 metro de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
Los datos que se deben tomar de cada una de las perforaciones realizadas
son el espesor de las capas encontradas y su posicioacuten exacta en sentido
vertical asiacute como la identificacioacuten visual de los materiales indicando su
color y consistencia Ademaacutes se debe registrar la posicioacuten del nivel freaacutetico
en caso de observar su presencia
Se debe tomar una muestra de las diferentes capas de suelo encontradas
en cada perforacioacuten realizada dichas muestras pueden ser alteradas o
inalteradas
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c Ensayos de laboratorio a las muestras obtenidas para determinar sus
propiedades generales en relacioacuten con la estabilidad y capacidad de
soporte de la subrasante Es necesario establecer las propiedades fiacutesicas
de cada uno de los suelos muestreados y tambieacuten conocer su
comportamiento bajo diversas condiciones por esta razoacuten se realizandiversas pruebas como
Determinacioacuten del contenido de humedad liacutemite plaacutestico y liacutemite liquido
El contenido de humedad de un suelo puede indicar posibles
comportamientos del mismo al ser utilizados como subrasante pues si el
contenido de agua esta cerca del liacutemite liacutequido es probable que el suelo
sea da baja capacidad portante y si el contenido de agua por el
contrario es cercano al liacutemite plaacutestico este tipo de suelo podriacutea
presentar una mayor resistencia mecaacutenica
Anaacutelisis de granulometriacutea Los resultados de esta prueba permiten
clasificar el suelo el cual puede pertenecer a alguno de los siguientes
grupos o ser una combinacioacuten de los mismos
bull Grava Estos aacuteridos son partiacuteculas granulares de material peacutetreo de
tamantildeo que se origina por fragmentacioacuten de las distintas rocas de la
corteza terrestre ya sea en forma natural o artificial Como subrasante
de un pavimento es muy estable ofrece una alta capacidad portante y
permitiriacutea construir una estructura de menor espesor
bull Arena Son partiacuteculas de tamantildeo medio con menor capacidad de
soporte que las gravas pero superior a la de los suelos finos como
arcillas y limos
bull Limo Los limos son fracciones microscoacutepicas del suelo de tamantildeo
intermedio entre la arcilla y la arena Su capacidad de soporte variacutea
de baja a media
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bull Arcilla Las arcillas son principalmente partiacuteculas submicroscoacutepicas
en forma de escamas las cuales presentan muy poco espacio entre
si La arcilla tiene la habilidad de retener el agua Se caracteriza por
un pobre drenaje y baja capacidad portante
Determinacioacuten de densidad de campo y grado de compactacioacuten del
suelo Alta densidad de los suelos se relaciona con alta resistencia
d Determinacioacuten del suelo tiacutepico de subrasante para una unidad de disentildeo
despueacutes de determinar las propiedades de las diferentes capas de suelo
como son granulometriacutea el limite liquido y limite plaacutestico se procede a
dibujar un perfil del suelo el cual permite identificar las caracteriacutesticas
propias del terreno donde se va a ejecutar la obra y delimitar las zonas que
se van a considerar homogeacuteneas
212 Fase de seleccioacuten de la resistencia o capacidad de soporte para
disentildeo Los suelos de subrasante normalmente no alcanzan la falla por
esfuerzo cortante pero los pavimentos fallan por deformaciones y fisuras Las
deformaciones se acumulan y se hacen notorias despueacutes del paso de muchas
repeticiones de carga y las fisuras aparecen en los materiales tratados con
ligantes debido a la fatiga por la aplicacioacuten reiterada de cargas
En la caracterizacioacuten mecaacutenica de un suelo de subrasante es maacutes importante
establecer las relaciones esfuerzo-deformacioacuten ante un gran nuacutemero de
solicitaciones de carga que la capacidad uacuteltima de los materiales bajo una
carga de mayor magnitud
Modulo resiliente
El paraacutemetro mas empleado para definir la capacidad de soporte de una
subrasante es el moacutedulo resiliente paraacutemetro similar al moacutedulo elaacutestico de un
material pero en el cual las deformaciones que se emplean solamente incluyen
la componente recuperable de las mismas
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cuperableaxialn Deformacioacute
axial Esfuerzo Mr siliente Moacutedulo
Re)(Re =
bull El moacutedulo resiliente proporciona la relacioacuten baacutesica entre esfuerzo y
deformacioacuten de los materiales y es un paraacutemetro usado en el anaacutelisisestructural de sistemas estratificados Este ensayo se realiza teniendo en
cuenta diversas condiciones ambientales y de estado de esfuerzos las
cuales simulan las cargas de traacutensito a las que se someteraacute la estructura
Una rueda que se mueve imparte un pulso dinaacutemico a todas las capas
de pavimento y a la subrasante Como respuesta a este pulso dinaacutemico
cada capa de pavimento sufre una deflexioacuten El pulso solicitante variacutea
desde un valor muy bajo hasta un maacuteximo en un breve periodo en
funcioacuten de la velocidad del vehiculo
Figura 11 Esfuerzos en la subrasante con el paso de una llanta de vehiacuteculo
Para tratar de simular en laboratorio este tipo de solicitacioacuten se practican
ensayos triaxiales sobre una muestra de suelo aplicando diversas
presiones de confinamiento y pulsos de carga axiales que ejemplifican la
carga de la llanta
983126983137983154983145983137983139983145983283983150 983140983141983148 983141983155983142983157983141983154983162983151 983141983150 983141983148 983155983157983141983148983151 983139983151983150 983141983148 983152983137983155983151 983140983141 983157983150 983158983141983144983277983139983157983148983151
983109 983155 983142 983157 983141 983154 983162 983151
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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Debe transmitir en forma adecuada los esfuerzos a la subrasante
En los cortes de roca proveer una plataforma de trabajo para equipo de
construccioacuten o para construir las capas superiores del pavimento
Capa superficial
Ademaacutes de su funcioacuten como una parte estructural del pavimento la capa
superficial se debe proyectar para resistir las fuerzas abrasivas de traacutefico
limitar la cantidad de agua superficial que penetra en el pavimento proveer una
superficie resistente a deslizamiento y proporcionar una superficie uniforme y
estable de color y textura conveniente para proveer un excelente servicio a los
usuarios de la viacutea La capa superficial tambieacuten debe ser durable capaz de
resistir fracturas y desmoronamientos sin llegar a ser inestable en las
condiciones del traacutefico y del clima
Comuacutenmente construida sobre una capa de base la capa superficial de una
estructura de pavimento flexible consta de una mezcla de agregados minerales
y de materiales bituminosos
122 Pavimento de capa asfaacuteltica gruesa
Los pavimentos de capa asfaacuteltica gruesa estaacuten conformados por dos o maacutes
capas de mezcla asfaacuteltica en caliente colocadas directamente en el suelo por
lo que tambieacuten se conoce como estructura full-depth Este tipo de pavimento ha
evolucionado y se considera que se deben construir tres capas asfaacutelticas cada
una de ellas concebida para un desempentildeo particular en la estructura La capa
superficial debe garantizar adherencia con las llantas de los vehiacuteculos y baja
deformacioacuten a altas temperaturas la capa intermedia debe tener alta
resistencia a la deformacioacuten y la capa inferior debe garantizar alta resistencia a
la fatiga
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Figura 4 Estructura de pavimento de capa asfaacuteltica gruesa
123 Pavimentos Riacutegidos
Este tipo de pavimento esta constituido por losas de concreto hidraacuteulico las
cuales estaacuten apoyadas sobre la subrasante o sobre una capa formada con
materiales seleccionados denominada subbase del pavimento riacutegido Este tipo
de estructura debido a su gran rigidez transmite los esfuerzos a una zona muy
amplia de las capas inferiores
Figura 5 Estructura de pavimento riacutegido
Losa de concreto
Subbase
Suelo compactado
Suelo natural
Suelo natural
Suelo compactado
Subrasante
Carpeta asfaacuteltica
Subrasante
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La subbase
La subbase en un pavimento riacutegido es la capa encargada de impedir el bombeo
entre las juntas grietas y extremos del pavimento Se entiende como bombeo a
la evacuacioacuten de material fino de la estructura de pavimento debido a lainfiltracioacuten de agua a traveacutes de las juntas de las losas Esta agua infiltrada
causa un efecto de licuacioacuten en el material fino de la subrasante haciendo mas
faacutecil su evacuacioacuten a la superficie al estar sometidos a las presiones ejercidas
por el transito sobre las losas
Figura 6 Fenoacutemeno de bombeo
Asiacute mismo esta capa funciona como elemento de transicioacuten y subministra un
apoyo estable y permanente del pavimento Adicionalmente mejora
notablemente el drenaje de la estructura y ayuda a evitar la acumulacioacuten de
agua debajo de las losas Tambieacuten aumenta la capacidad de soporte de suelo
de subrasante
Losa de concreto
Las funciones de la losas de concreto en un pavimento riacutegido son las mismas
que cumple la carpeta asfaacuteltica en un pavimento flexible y a su vez las losas de
concreto deben cumplir la funcioacuten estructural de soportar y transmitir un nivel
de esfuerzos adecuado a las capacidades mecaacutenicas de las capas inferiores
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124 Pavimento Compuesto o Semi-riacutegido
La estructura de este tipo de pavimento es muy similar a la de un pavimento
flexible la diferencia radica en que una de sus capas es muy riacutegida porque seha estabilizado con cal cemento o alguacuten producto quiacutemico El propoacutesito de
estos aditivos es mejorar o modificar las caracteriacutesticas mecaacutenicas de los
materiales ya que no son las ideales teniendo en cuenta que los materiales
apropiados para dicha obra estaacuten muy distantes y su adquisicioacuten aumentariacutea
notablemente los costos de la construccioacuten La funcioacuten de la capa estabilizada
es proporcionar una base muy fuerte y la mezcla asfaacuteltica proporciona una
superficie uniforme no reflectiva y que garantiza adherencia con las llantas de
los vehiacuteculos
Figura 7 Estructura de capas de un pavimento semi-riacutegido
125 Pavimento de estructura inversa
El pavimento de estructura inversa se caracteriza por tener mayor espesor y
rigidez en las capas de apoyo que en las capas de la parte superior de la
estructura Entre las capas que conforman este pavimento se encuentra una
capa base tratada con cemento portland la cual actuacutea como una soacutelida
plataforma de trabajo para la construccioacuten de la capa base granular y ademaacutes
reduce las tensiones en la base granular y en la capa de asfalto La capa de
Subrasante
Suelo natural
Suelo compactado
Base tratada
Concreto asfaacuteltico
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grava no tratada o base granular impide el remonte de fisuras transversales de
retraccioacuten que se producen en la capa tratada con cemento
Figura 8 Pavimento de estructura inversa
126 Pavimento Articulado
Los pavimentos articulados estaacuten formados por una capa de rodadura la cual
esta elaborada con bloques de concreto o piedra (adoquines) Estos se pueden
colocar sobre una capa delgada de arena la cual a su vez se apoya sobre una
capa de base granular o directamente sobre la subrasante dependiendo de la
calidad de esta y dependiendo de la magnitud y frecuencia de las cargas que
circulan por la viacutea
Figura 9 Estructura de pavimento articulado
Capa de arena
Subrasante
Suelo compactado
Suelo natural
Adoquines
Base
Subbase granular
Capa tratada con cemento portland
Suelo compactado
Suelo natural
Base Granular
Concreto asfaacuteltico
Subrasante
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La Base
Es la capa colocada entre la subrasante y la capa de rodadura La funcioacuten
primordial de esta capa es aumentar la capacidad de la estructura de
pavimento Esta capa puede estar compuesta por dos o maacutes materialesseleccionados Se podraacuten utilizar bases de material granular suelos
estabilizados o concreto pobre
Capa de arena
Esta capa es colocada directamente sobre la base La capa de arena es de
poco espesor y el material usado es arena gruesa y limpia que sirve como
asiento para colocar uniformemente los adoquines
Adoquines
Los adoquines deben tener propiedades y caracteriacutesticas similares para poder
resistir adecuadamente las cargas de transito y fundamentalmente el desgaste
producido por eacuteste
Sello de arena
Este sello esta constituido por arena muy fina que es colocada entre las juntas
entre los adoquines y su principal funcioacuten es servir de sello a las juntas y
contribuir al funcionamiento de la estructura en conjunto con los demaacutes
elementos de la capa de rodadura La arena que se utilizaraacute para sellar las
juntas entre adoquines debe estar libre de materia orgaacutenica y elementos
contaminantes
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2 LA FUNDACIOacuteN DEL PAVIMENTO O SUBRASANTE
La subrasante es aquella parte de la estructura que tiene como funcioacuten servir
de soporte de las otras capas del pavimento De la calidad de esta capa
depende en gran medida el espesor que debe tener un pavimento
Para dimensionar un pavimento es necesario determinar la capacidad
mecaacutenica de los suelos que serviraacuten de fundacioacuten a las capas de la estructura
la sensibilidad del suelo a la humedad en lo que se refiere a la resistencia como
a las eventuales variacioacuten de volumen (hinchamiento y retraccioacuten)
Como paraacutemetro de caracterizacioacuten se emplea la rigidez del suelo o resistencia
a la deformacioacuten bajo las cargas de traacutensito La subrasante se puede construir
con suelos en su estado natural o suelos con alguacuten proceso de mejoramiento
como la estabilizacioacuten mecaacutenica o quiacutemica entre otras
Ciertos materiales resultan inapropiados como material de subrasante como
por ejemplo los Suelos clasificados como A-8 (seguacuten AASHTO) debido a que
son altamente compresibles estaacuten conformados principalmente de materia
orgaacutenica y tienen una baja resistencia al corte
21 ANAacuteLISIS PARA DETERMINAR LAS CARACTERIacuteSTICAS DE UN
SUELO PARA SUBRASANTE
El estudio de la subrasante para disentildeo de pavimentos comprende diferentes
etapas
211 Fase de seleccioacuten de unidades homogeacuteneas de disentildeo Debido a la
extensioacuten de las zonas que atraviesa una carretera el pavimento se apoya
sobre diversos tipos de formaciones geoloacutegicas y en consecuencia en un tramo
de carretera se pueden presentar diversos tipos de suelos en la subrasante
Para definir una capacidad de soporte es necesario separar por zonas o
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unidades donde los materiales encontrados presenten caracteriacutesticas similares
La delimitacioacuten de las unidades homogeacuteneas de disentildeo se realiza con base en
las caracteriacutesticas geoteacutecnicas climaacutetica topograacuteficas y de drenaje
Figura 10 Ejemplo de zonas geoloacutegicas atravesadas por una carretera
a Delimitacioacuten de formaciones geoloacutegicas Una primera sectorizacioacuten se puede
realizar con base en el estudio de las formaciones geoloacutegicas que sean
identificadas en el trazado del proyecto vial Con base en un mapa en el que se
localicen las formaciones de suelos y el trazado de la viacutea se establecen las
abscisas de inicio y finalizacioacuten de una unidad de disentildeo
b Determinacioacuten del perfil geoteacutecnico de los suelos De manera mas precisa la
ejecucioacuten de perforaciones en el terreno permite identificar las cantidades y
extensiones de suelos existentes en la zona del proyecto la manera como
estos estaacuten dispuestos en capas y conocer profundidades de ubicacioacuten del
nivel freaacutetico El nuacutemero de perforaciones necesarias para conocer el perfil del
suelo se basa en la experiencia dependiendo de a uniformidad del suelo Un
menor nuacutemero de muestras o un mayor espaciamiento de las perforaciones
conlleva mayores riesgos en el disentildeo un nuacutemero muy grande de muestras
genera un elevado costo de la fase de disentildeo El espaciamiento de las
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perforaciones deberiacutea ser el menor posible y que permita mantener los costos
del disentildeo en liacutemites razonables
En viacuteas con altos voluacutemenes de traacutensito se deberiacutea reducir el riesgo de que la
estructura de pavimento quede cimentada en materiales que no fueronensayados durante la etapa de disentildeo En los sitios donde los materiales
tuviesen una menor capacidad de soporte que la de disentildeo el pavimento se
degradariacutea tempranamente y las reparaciones respectivas ocasionariacutean cierres
molestias y mayores costos de operacioacuten a un gran nuacutemero de usuarios de la
viacutea
La presencia de camiones con mayores cargas por eje altera los esfuerzos en
capas de suelos que se encuentran a mayor profundidad Para la ubicacioacuten
profundidad y definicioacuten del nuacutemero de perforaciones podriacutea adoptarse como
guiacutea
En proyectos de construccioacuten de viacuteas importantes un sondeo cada 250
metros obteniendo muestras de suelos hasta 15 metros de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
En proyectos viales de bajo volumen de traacutensito un sondeo cada 500
metros obteniendo muestras de suelos hasta 10 metro de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
Los datos que se deben tomar de cada una de las perforaciones realizadas
son el espesor de las capas encontradas y su posicioacuten exacta en sentido
vertical asiacute como la identificacioacuten visual de los materiales indicando su
color y consistencia Ademaacutes se debe registrar la posicioacuten del nivel freaacutetico
en caso de observar su presencia
Se debe tomar una muestra de las diferentes capas de suelo encontradas
en cada perforacioacuten realizada dichas muestras pueden ser alteradas o
inalteradas
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c Ensayos de laboratorio a las muestras obtenidas para determinar sus
propiedades generales en relacioacuten con la estabilidad y capacidad de
soporte de la subrasante Es necesario establecer las propiedades fiacutesicas
de cada uno de los suelos muestreados y tambieacuten conocer su
comportamiento bajo diversas condiciones por esta razoacuten se realizandiversas pruebas como
Determinacioacuten del contenido de humedad liacutemite plaacutestico y liacutemite liquido
El contenido de humedad de un suelo puede indicar posibles
comportamientos del mismo al ser utilizados como subrasante pues si el
contenido de agua esta cerca del liacutemite liacutequido es probable que el suelo
sea da baja capacidad portante y si el contenido de agua por el
contrario es cercano al liacutemite plaacutestico este tipo de suelo podriacutea
presentar una mayor resistencia mecaacutenica
Anaacutelisis de granulometriacutea Los resultados de esta prueba permiten
clasificar el suelo el cual puede pertenecer a alguno de los siguientes
grupos o ser una combinacioacuten de los mismos
bull Grava Estos aacuteridos son partiacuteculas granulares de material peacutetreo de
tamantildeo que se origina por fragmentacioacuten de las distintas rocas de la
corteza terrestre ya sea en forma natural o artificial Como subrasante
de un pavimento es muy estable ofrece una alta capacidad portante y
permitiriacutea construir una estructura de menor espesor
bull Arena Son partiacuteculas de tamantildeo medio con menor capacidad de
soporte que las gravas pero superior a la de los suelos finos como
arcillas y limos
bull Limo Los limos son fracciones microscoacutepicas del suelo de tamantildeo
intermedio entre la arcilla y la arena Su capacidad de soporte variacutea
de baja a media
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bull Arcilla Las arcillas son principalmente partiacuteculas submicroscoacutepicas
en forma de escamas las cuales presentan muy poco espacio entre
si La arcilla tiene la habilidad de retener el agua Se caracteriza por
un pobre drenaje y baja capacidad portante
Determinacioacuten de densidad de campo y grado de compactacioacuten del
suelo Alta densidad de los suelos se relaciona con alta resistencia
d Determinacioacuten del suelo tiacutepico de subrasante para una unidad de disentildeo
despueacutes de determinar las propiedades de las diferentes capas de suelo
como son granulometriacutea el limite liquido y limite plaacutestico se procede a
dibujar un perfil del suelo el cual permite identificar las caracteriacutesticas
propias del terreno donde se va a ejecutar la obra y delimitar las zonas que
se van a considerar homogeacuteneas
212 Fase de seleccioacuten de la resistencia o capacidad de soporte para
disentildeo Los suelos de subrasante normalmente no alcanzan la falla por
esfuerzo cortante pero los pavimentos fallan por deformaciones y fisuras Las
deformaciones se acumulan y se hacen notorias despueacutes del paso de muchas
repeticiones de carga y las fisuras aparecen en los materiales tratados con
ligantes debido a la fatiga por la aplicacioacuten reiterada de cargas
En la caracterizacioacuten mecaacutenica de un suelo de subrasante es maacutes importante
establecer las relaciones esfuerzo-deformacioacuten ante un gran nuacutemero de
solicitaciones de carga que la capacidad uacuteltima de los materiales bajo una
carga de mayor magnitud
Modulo resiliente
El paraacutemetro mas empleado para definir la capacidad de soporte de una
subrasante es el moacutedulo resiliente paraacutemetro similar al moacutedulo elaacutestico de un
material pero en el cual las deformaciones que se emplean solamente incluyen
la componente recuperable de las mismas
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cuperableaxialn Deformacioacute
axial Esfuerzo Mr siliente Moacutedulo
Re)(Re =
bull El moacutedulo resiliente proporciona la relacioacuten baacutesica entre esfuerzo y
deformacioacuten de los materiales y es un paraacutemetro usado en el anaacutelisisestructural de sistemas estratificados Este ensayo se realiza teniendo en
cuenta diversas condiciones ambientales y de estado de esfuerzos las
cuales simulan las cargas de traacutensito a las que se someteraacute la estructura
Una rueda que se mueve imparte un pulso dinaacutemico a todas las capas
de pavimento y a la subrasante Como respuesta a este pulso dinaacutemico
cada capa de pavimento sufre una deflexioacuten El pulso solicitante variacutea
desde un valor muy bajo hasta un maacuteximo en un breve periodo en
funcioacuten de la velocidad del vehiculo
Figura 11 Esfuerzos en la subrasante con el paso de una llanta de vehiacuteculo
Para tratar de simular en laboratorio este tipo de solicitacioacuten se practican
ensayos triaxiales sobre una muestra de suelo aplicando diversas
presiones de confinamiento y pulsos de carga axiales que ejemplifican la
carga de la llanta
983126983137983154983145983137983139983145983283983150 983140983141983148 983141983155983142983157983141983154983162983151 983141983150 983141983148 983155983157983141983148983151 983139983151983150 983141983148 983152983137983155983151 983140983141 983157983150 983158983141983144983277983139983157983148983151
983109 983155 983142 983157 983141 983154 983162 983151
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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Figura 4 Estructura de pavimento de capa asfaacuteltica gruesa
123 Pavimentos Riacutegidos
Este tipo de pavimento esta constituido por losas de concreto hidraacuteulico las
cuales estaacuten apoyadas sobre la subrasante o sobre una capa formada con
materiales seleccionados denominada subbase del pavimento riacutegido Este tipo
de estructura debido a su gran rigidez transmite los esfuerzos a una zona muy
amplia de las capas inferiores
Figura 5 Estructura de pavimento riacutegido
Losa de concreto
Subbase
Suelo compactado
Suelo natural
Suelo natural
Suelo compactado
Subrasante
Carpeta asfaacuteltica
Subrasante
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La subbase
La subbase en un pavimento riacutegido es la capa encargada de impedir el bombeo
entre las juntas grietas y extremos del pavimento Se entiende como bombeo a
la evacuacioacuten de material fino de la estructura de pavimento debido a lainfiltracioacuten de agua a traveacutes de las juntas de las losas Esta agua infiltrada
causa un efecto de licuacioacuten en el material fino de la subrasante haciendo mas
faacutecil su evacuacioacuten a la superficie al estar sometidos a las presiones ejercidas
por el transito sobre las losas
Figura 6 Fenoacutemeno de bombeo
Asiacute mismo esta capa funciona como elemento de transicioacuten y subministra un
apoyo estable y permanente del pavimento Adicionalmente mejora
notablemente el drenaje de la estructura y ayuda a evitar la acumulacioacuten de
agua debajo de las losas Tambieacuten aumenta la capacidad de soporte de suelo
de subrasante
Losa de concreto
Las funciones de la losas de concreto en un pavimento riacutegido son las mismas
que cumple la carpeta asfaacuteltica en un pavimento flexible y a su vez las losas de
concreto deben cumplir la funcioacuten estructural de soportar y transmitir un nivel
de esfuerzos adecuado a las capacidades mecaacutenicas de las capas inferiores
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124 Pavimento Compuesto o Semi-riacutegido
La estructura de este tipo de pavimento es muy similar a la de un pavimento
flexible la diferencia radica en que una de sus capas es muy riacutegida porque seha estabilizado con cal cemento o alguacuten producto quiacutemico El propoacutesito de
estos aditivos es mejorar o modificar las caracteriacutesticas mecaacutenicas de los
materiales ya que no son las ideales teniendo en cuenta que los materiales
apropiados para dicha obra estaacuten muy distantes y su adquisicioacuten aumentariacutea
notablemente los costos de la construccioacuten La funcioacuten de la capa estabilizada
es proporcionar una base muy fuerte y la mezcla asfaacuteltica proporciona una
superficie uniforme no reflectiva y que garantiza adherencia con las llantas de
los vehiacuteculos
Figura 7 Estructura de capas de un pavimento semi-riacutegido
125 Pavimento de estructura inversa
El pavimento de estructura inversa se caracteriza por tener mayor espesor y
rigidez en las capas de apoyo que en las capas de la parte superior de la
estructura Entre las capas que conforman este pavimento se encuentra una
capa base tratada con cemento portland la cual actuacutea como una soacutelida
plataforma de trabajo para la construccioacuten de la capa base granular y ademaacutes
reduce las tensiones en la base granular y en la capa de asfalto La capa de
Subrasante
Suelo natural
Suelo compactado
Base tratada
Concreto asfaacuteltico
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grava no tratada o base granular impide el remonte de fisuras transversales de
retraccioacuten que se producen en la capa tratada con cemento
Figura 8 Pavimento de estructura inversa
126 Pavimento Articulado
Los pavimentos articulados estaacuten formados por una capa de rodadura la cual
esta elaborada con bloques de concreto o piedra (adoquines) Estos se pueden
colocar sobre una capa delgada de arena la cual a su vez se apoya sobre una
capa de base granular o directamente sobre la subrasante dependiendo de la
calidad de esta y dependiendo de la magnitud y frecuencia de las cargas que
circulan por la viacutea
Figura 9 Estructura de pavimento articulado
Capa de arena
Subrasante
Suelo compactado
Suelo natural
Adoquines
Base
Subbase granular
Capa tratada con cemento portland
Suelo compactado
Suelo natural
Base Granular
Concreto asfaacuteltico
Subrasante
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La Base
Es la capa colocada entre la subrasante y la capa de rodadura La funcioacuten
primordial de esta capa es aumentar la capacidad de la estructura de
pavimento Esta capa puede estar compuesta por dos o maacutes materialesseleccionados Se podraacuten utilizar bases de material granular suelos
estabilizados o concreto pobre
Capa de arena
Esta capa es colocada directamente sobre la base La capa de arena es de
poco espesor y el material usado es arena gruesa y limpia que sirve como
asiento para colocar uniformemente los adoquines
Adoquines
Los adoquines deben tener propiedades y caracteriacutesticas similares para poder
resistir adecuadamente las cargas de transito y fundamentalmente el desgaste
producido por eacuteste
Sello de arena
Este sello esta constituido por arena muy fina que es colocada entre las juntas
entre los adoquines y su principal funcioacuten es servir de sello a las juntas y
contribuir al funcionamiento de la estructura en conjunto con los demaacutes
elementos de la capa de rodadura La arena que se utilizaraacute para sellar las
juntas entre adoquines debe estar libre de materia orgaacutenica y elementos
contaminantes
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2 LA FUNDACIOacuteN DEL PAVIMENTO O SUBRASANTE
La subrasante es aquella parte de la estructura que tiene como funcioacuten servir
de soporte de las otras capas del pavimento De la calidad de esta capa
depende en gran medida el espesor que debe tener un pavimento
Para dimensionar un pavimento es necesario determinar la capacidad
mecaacutenica de los suelos que serviraacuten de fundacioacuten a las capas de la estructura
la sensibilidad del suelo a la humedad en lo que se refiere a la resistencia como
a las eventuales variacioacuten de volumen (hinchamiento y retraccioacuten)
Como paraacutemetro de caracterizacioacuten se emplea la rigidez del suelo o resistencia
a la deformacioacuten bajo las cargas de traacutensito La subrasante se puede construir
con suelos en su estado natural o suelos con alguacuten proceso de mejoramiento
como la estabilizacioacuten mecaacutenica o quiacutemica entre otras
Ciertos materiales resultan inapropiados como material de subrasante como
por ejemplo los Suelos clasificados como A-8 (seguacuten AASHTO) debido a que
son altamente compresibles estaacuten conformados principalmente de materia
orgaacutenica y tienen una baja resistencia al corte
21 ANAacuteLISIS PARA DETERMINAR LAS CARACTERIacuteSTICAS DE UN
SUELO PARA SUBRASANTE
El estudio de la subrasante para disentildeo de pavimentos comprende diferentes
etapas
211 Fase de seleccioacuten de unidades homogeacuteneas de disentildeo Debido a la
extensioacuten de las zonas que atraviesa una carretera el pavimento se apoya
sobre diversos tipos de formaciones geoloacutegicas y en consecuencia en un tramo
de carretera se pueden presentar diversos tipos de suelos en la subrasante
Para definir una capacidad de soporte es necesario separar por zonas o
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unidades donde los materiales encontrados presenten caracteriacutesticas similares
La delimitacioacuten de las unidades homogeacuteneas de disentildeo se realiza con base en
las caracteriacutesticas geoteacutecnicas climaacutetica topograacuteficas y de drenaje
Figura 10 Ejemplo de zonas geoloacutegicas atravesadas por una carretera
a Delimitacioacuten de formaciones geoloacutegicas Una primera sectorizacioacuten se puede
realizar con base en el estudio de las formaciones geoloacutegicas que sean
identificadas en el trazado del proyecto vial Con base en un mapa en el que se
localicen las formaciones de suelos y el trazado de la viacutea se establecen las
abscisas de inicio y finalizacioacuten de una unidad de disentildeo
b Determinacioacuten del perfil geoteacutecnico de los suelos De manera mas precisa la
ejecucioacuten de perforaciones en el terreno permite identificar las cantidades y
extensiones de suelos existentes en la zona del proyecto la manera como
estos estaacuten dispuestos en capas y conocer profundidades de ubicacioacuten del
nivel freaacutetico El nuacutemero de perforaciones necesarias para conocer el perfil del
suelo se basa en la experiencia dependiendo de a uniformidad del suelo Un
menor nuacutemero de muestras o un mayor espaciamiento de las perforaciones
conlleva mayores riesgos en el disentildeo un nuacutemero muy grande de muestras
genera un elevado costo de la fase de disentildeo El espaciamiento de las
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perforaciones deberiacutea ser el menor posible y que permita mantener los costos
del disentildeo en liacutemites razonables
En viacuteas con altos voluacutemenes de traacutensito se deberiacutea reducir el riesgo de que la
estructura de pavimento quede cimentada en materiales que no fueronensayados durante la etapa de disentildeo En los sitios donde los materiales
tuviesen una menor capacidad de soporte que la de disentildeo el pavimento se
degradariacutea tempranamente y las reparaciones respectivas ocasionariacutean cierres
molestias y mayores costos de operacioacuten a un gran nuacutemero de usuarios de la
viacutea
La presencia de camiones con mayores cargas por eje altera los esfuerzos en
capas de suelos que se encuentran a mayor profundidad Para la ubicacioacuten
profundidad y definicioacuten del nuacutemero de perforaciones podriacutea adoptarse como
guiacutea
En proyectos de construccioacuten de viacuteas importantes un sondeo cada 250
metros obteniendo muestras de suelos hasta 15 metros de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
En proyectos viales de bajo volumen de traacutensito un sondeo cada 500
metros obteniendo muestras de suelos hasta 10 metro de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
Los datos que se deben tomar de cada una de las perforaciones realizadas
son el espesor de las capas encontradas y su posicioacuten exacta en sentido
vertical asiacute como la identificacioacuten visual de los materiales indicando su
color y consistencia Ademaacutes se debe registrar la posicioacuten del nivel freaacutetico
en caso de observar su presencia
Se debe tomar una muestra de las diferentes capas de suelo encontradas
en cada perforacioacuten realizada dichas muestras pueden ser alteradas o
inalteradas
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c Ensayos de laboratorio a las muestras obtenidas para determinar sus
propiedades generales en relacioacuten con la estabilidad y capacidad de
soporte de la subrasante Es necesario establecer las propiedades fiacutesicas
de cada uno de los suelos muestreados y tambieacuten conocer su
comportamiento bajo diversas condiciones por esta razoacuten se realizandiversas pruebas como
Determinacioacuten del contenido de humedad liacutemite plaacutestico y liacutemite liquido
El contenido de humedad de un suelo puede indicar posibles
comportamientos del mismo al ser utilizados como subrasante pues si el
contenido de agua esta cerca del liacutemite liacutequido es probable que el suelo
sea da baja capacidad portante y si el contenido de agua por el
contrario es cercano al liacutemite plaacutestico este tipo de suelo podriacutea
presentar una mayor resistencia mecaacutenica
Anaacutelisis de granulometriacutea Los resultados de esta prueba permiten
clasificar el suelo el cual puede pertenecer a alguno de los siguientes
grupos o ser una combinacioacuten de los mismos
bull Grava Estos aacuteridos son partiacuteculas granulares de material peacutetreo de
tamantildeo que se origina por fragmentacioacuten de las distintas rocas de la
corteza terrestre ya sea en forma natural o artificial Como subrasante
de un pavimento es muy estable ofrece una alta capacidad portante y
permitiriacutea construir una estructura de menor espesor
bull Arena Son partiacuteculas de tamantildeo medio con menor capacidad de
soporte que las gravas pero superior a la de los suelos finos como
arcillas y limos
bull Limo Los limos son fracciones microscoacutepicas del suelo de tamantildeo
intermedio entre la arcilla y la arena Su capacidad de soporte variacutea
de baja a media
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bull Arcilla Las arcillas son principalmente partiacuteculas submicroscoacutepicas
en forma de escamas las cuales presentan muy poco espacio entre
si La arcilla tiene la habilidad de retener el agua Se caracteriza por
un pobre drenaje y baja capacidad portante
Determinacioacuten de densidad de campo y grado de compactacioacuten del
suelo Alta densidad de los suelos se relaciona con alta resistencia
d Determinacioacuten del suelo tiacutepico de subrasante para una unidad de disentildeo
despueacutes de determinar las propiedades de las diferentes capas de suelo
como son granulometriacutea el limite liquido y limite plaacutestico se procede a
dibujar un perfil del suelo el cual permite identificar las caracteriacutesticas
propias del terreno donde se va a ejecutar la obra y delimitar las zonas que
se van a considerar homogeacuteneas
212 Fase de seleccioacuten de la resistencia o capacidad de soporte para
disentildeo Los suelos de subrasante normalmente no alcanzan la falla por
esfuerzo cortante pero los pavimentos fallan por deformaciones y fisuras Las
deformaciones se acumulan y se hacen notorias despueacutes del paso de muchas
repeticiones de carga y las fisuras aparecen en los materiales tratados con
ligantes debido a la fatiga por la aplicacioacuten reiterada de cargas
En la caracterizacioacuten mecaacutenica de un suelo de subrasante es maacutes importante
establecer las relaciones esfuerzo-deformacioacuten ante un gran nuacutemero de
solicitaciones de carga que la capacidad uacuteltima de los materiales bajo una
carga de mayor magnitud
Modulo resiliente
El paraacutemetro mas empleado para definir la capacidad de soporte de una
subrasante es el moacutedulo resiliente paraacutemetro similar al moacutedulo elaacutestico de un
material pero en el cual las deformaciones que se emplean solamente incluyen
la componente recuperable de las mismas
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cuperableaxialn Deformacioacute
axial Esfuerzo Mr siliente Moacutedulo
Re)(Re =
bull El moacutedulo resiliente proporciona la relacioacuten baacutesica entre esfuerzo y
deformacioacuten de los materiales y es un paraacutemetro usado en el anaacutelisisestructural de sistemas estratificados Este ensayo se realiza teniendo en
cuenta diversas condiciones ambientales y de estado de esfuerzos las
cuales simulan las cargas de traacutensito a las que se someteraacute la estructura
Una rueda que se mueve imparte un pulso dinaacutemico a todas las capas
de pavimento y a la subrasante Como respuesta a este pulso dinaacutemico
cada capa de pavimento sufre una deflexioacuten El pulso solicitante variacutea
desde un valor muy bajo hasta un maacuteximo en un breve periodo en
funcioacuten de la velocidad del vehiculo
Figura 11 Esfuerzos en la subrasante con el paso de una llanta de vehiacuteculo
Para tratar de simular en laboratorio este tipo de solicitacioacuten se practican
ensayos triaxiales sobre una muestra de suelo aplicando diversas
presiones de confinamiento y pulsos de carga axiales que ejemplifican la
carga de la llanta
983126983137983154983145983137983139983145983283983150 983140983141983148 983141983155983142983157983141983154983162983151 983141983150 983141983148 983155983157983141983148983151 983139983151983150 983141983148 983152983137983155983151 983140983141 983157983150 983158983141983144983277983139983157983148983151
983109 983155 983142 983157 983141 983154 983162 983151
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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La subbase
La subbase en un pavimento riacutegido es la capa encargada de impedir el bombeo
entre las juntas grietas y extremos del pavimento Se entiende como bombeo a
la evacuacioacuten de material fino de la estructura de pavimento debido a lainfiltracioacuten de agua a traveacutes de las juntas de las losas Esta agua infiltrada
causa un efecto de licuacioacuten en el material fino de la subrasante haciendo mas
faacutecil su evacuacioacuten a la superficie al estar sometidos a las presiones ejercidas
por el transito sobre las losas
Figura 6 Fenoacutemeno de bombeo
Asiacute mismo esta capa funciona como elemento de transicioacuten y subministra un
apoyo estable y permanente del pavimento Adicionalmente mejora
notablemente el drenaje de la estructura y ayuda a evitar la acumulacioacuten de
agua debajo de las losas Tambieacuten aumenta la capacidad de soporte de suelo
de subrasante
Losa de concreto
Las funciones de la losas de concreto en un pavimento riacutegido son las mismas
que cumple la carpeta asfaacuteltica en un pavimento flexible y a su vez las losas de
concreto deben cumplir la funcioacuten estructural de soportar y transmitir un nivel
de esfuerzos adecuado a las capacidades mecaacutenicas de las capas inferiores
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124 Pavimento Compuesto o Semi-riacutegido
La estructura de este tipo de pavimento es muy similar a la de un pavimento
flexible la diferencia radica en que una de sus capas es muy riacutegida porque seha estabilizado con cal cemento o alguacuten producto quiacutemico El propoacutesito de
estos aditivos es mejorar o modificar las caracteriacutesticas mecaacutenicas de los
materiales ya que no son las ideales teniendo en cuenta que los materiales
apropiados para dicha obra estaacuten muy distantes y su adquisicioacuten aumentariacutea
notablemente los costos de la construccioacuten La funcioacuten de la capa estabilizada
es proporcionar una base muy fuerte y la mezcla asfaacuteltica proporciona una
superficie uniforme no reflectiva y que garantiza adherencia con las llantas de
los vehiacuteculos
Figura 7 Estructura de capas de un pavimento semi-riacutegido
125 Pavimento de estructura inversa
El pavimento de estructura inversa se caracteriza por tener mayor espesor y
rigidez en las capas de apoyo que en las capas de la parte superior de la
estructura Entre las capas que conforman este pavimento se encuentra una
capa base tratada con cemento portland la cual actuacutea como una soacutelida
plataforma de trabajo para la construccioacuten de la capa base granular y ademaacutes
reduce las tensiones en la base granular y en la capa de asfalto La capa de
Subrasante
Suelo natural
Suelo compactado
Base tratada
Concreto asfaacuteltico
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grava no tratada o base granular impide el remonte de fisuras transversales de
retraccioacuten que se producen en la capa tratada con cemento
Figura 8 Pavimento de estructura inversa
126 Pavimento Articulado
Los pavimentos articulados estaacuten formados por una capa de rodadura la cual
esta elaborada con bloques de concreto o piedra (adoquines) Estos se pueden
colocar sobre una capa delgada de arena la cual a su vez se apoya sobre una
capa de base granular o directamente sobre la subrasante dependiendo de la
calidad de esta y dependiendo de la magnitud y frecuencia de las cargas que
circulan por la viacutea
Figura 9 Estructura de pavimento articulado
Capa de arena
Subrasante
Suelo compactado
Suelo natural
Adoquines
Base
Subbase granular
Capa tratada con cemento portland
Suelo compactado
Suelo natural
Base Granular
Concreto asfaacuteltico
Subrasante
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La Base
Es la capa colocada entre la subrasante y la capa de rodadura La funcioacuten
primordial de esta capa es aumentar la capacidad de la estructura de
pavimento Esta capa puede estar compuesta por dos o maacutes materialesseleccionados Se podraacuten utilizar bases de material granular suelos
estabilizados o concreto pobre
Capa de arena
Esta capa es colocada directamente sobre la base La capa de arena es de
poco espesor y el material usado es arena gruesa y limpia que sirve como
asiento para colocar uniformemente los adoquines
Adoquines
Los adoquines deben tener propiedades y caracteriacutesticas similares para poder
resistir adecuadamente las cargas de transito y fundamentalmente el desgaste
producido por eacuteste
Sello de arena
Este sello esta constituido por arena muy fina que es colocada entre las juntas
entre los adoquines y su principal funcioacuten es servir de sello a las juntas y
contribuir al funcionamiento de la estructura en conjunto con los demaacutes
elementos de la capa de rodadura La arena que se utilizaraacute para sellar las
juntas entre adoquines debe estar libre de materia orgaacutenica y elementos
contaminantes
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2 LA FUNDACIOacuteN DEL PAVIMENTO O SUBRASANTE
La subrasante es aquella parte de la estructura que tiene como funcioacuten servir
de soporte de las otras capas del pavimento De la calidad de esta capa
depende en gran medida el espesor que debe tener un pavimento
Para dimensionar un pavimento es necesario determinar la capacidad
mecaacutenica de los suelos que serviraacuten de fundacioacuten a las capas de la estructura
la sensibilidad del suelo a la humedad en lo que se refiere a la resistencia como
a las eventuales variacioacuten de volumen (hinchamiento y retraccioacuten)
Como paraacutemetro de caracterizacioacuten se emplea la rigidez del suelo o resistencia
a la deformacioacuten bajo las cargas de traacutensito La subrasante se puede construir
con suelos en su estado natural o suelos con alguacuten proceso de mejoramiento
como la estabilizacioacuten mecaacutenica o quiacutemica entre otras
Ciertos materiales resultan inapropiados como material de subrasante como
por ejemplo los Suelos clasificados como A-8 (seguacuten AASHTO) debido a que
son altamente compresibles estaacuten conformados principalmente de materia
orgaacutenica y tienen una baja resistencia al corte
21 ANAacuteLISIS PARA DETERMINAR LAS CARACTERIacuteSTICAS DE UN
SUELO PARA SUBRASANTE
El estudio de la subrasante para disentildeo de pavimentos comprende diferentes
etapas
211 Fase de seleccioacuten de unidades homogeacuteneas de disentildeo Debido a la
extensioacuten de las zonas que atraviesa una carretera el pavimento se apoya
sobre diversos tipos de formaciones geoloacutegicas y en consecuencia en un tramo
de carretera se pueden presentar diversos tipos de suelos en la subrasante
Para definir una capacidad de soporte es necesario separar por zonas o
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unidades donde los materiales encontrados presenten caracteriacutesticas similares
La delimitacioacuten de las unidades homogeacuteneas de disentildeo se realiza con base en
las caracteriacutesticas geoteacutecnicas climaacutetica topograacuteficas y de drenaje
Figura 10 Ejemplo de zonas geoloacutegicas atravesadas por una carretera
a Delimitacioacuten de formaciones geoloacutegicas Una primera sectorizacioacuten se puede
realizar con base en el estudio de las formaciones geoloacutegicas que sean
identificadas en el trazado del proyecto vial Con base en un mapa en el que se
localicen las formaciones de suelos y el trazado de la viacutea se establecen las
abscisas de inicio y finalizacioacuten de una unidad de disentildeo
b Determinacioacuten del perfil geoteacutecnico de los suelos De manera mas precisa la
ejecucioacuten de perforaciones en el terreno permite identificar las cantidades y
extensiones de suelos existentes en la zona del proyecto la manera como
estos estaacuten dispuestos en capas y conocer profundidades de ubicacioacuten del
nivel freaacutetico El nuacutemero de perforaciones necesarias para conocer el perfil del
suelo se basa en la experiencia dependiendo de a uniformidad del suelo Un
menor nuacutemero de muestras o un mayor espaciamiento de las perforaciones
conlleva mayores riesgos en el disentildeo un nuacutemero muy grande de muestras
genera un elevado costo de la fase de disentildeo El espaciamiento de las
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perforaciones deberiacutea ser el menor posible y que permita mantener los costos
del disentildeo en liacutemites razonables
En viacuteas con altos voluacutemenes de traacutensito se deberiacutea reducir el riesgo de que la
estructura de pavimento quede cimentada en materiales que no fueronensayados durante la etapa de disentildeo En los sitios donde los materiales
tuviesen una menor capacidad de soporte que la de disentildeo el pavimento se
degradariacutea tempranamente y las reparaciones respectivas ocasionariacutean cierres
molestias y mayores costos de operacioacuten a un gran nuacutemero de usuarios de la
viacutea
La presencia de camiones con mayores cargas por eje altera los esfuerzos en
capas de suelos que se encuentran a mayor profundidad Para la ubicacioacuten
profundidad y definicioacuten del nuacutemero de perforaciones podriacutea adoptarse como
guiacutea
En proyectos de construccioacuten de viacuteas importantes un sondeo cada 250
metros obteniendo muestras de suelos hasta 15 metros de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
En proyectos viales de bajo volumen de traacutensito un sondeo cada 500
metros obteniendo muestras de suelos hasta 10 metro de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
Los datos que se deben tomar de cada una de las perforaciones realizadas
son el espesor de las capas encontradas y su posicioacuten exacta en sentido
vertical asiacute como la identificacioacuten visual de los materiales indicando su
color y consistencia Ademaacutes se debe registrar la posicioacuten del nivel freaacutetico
en caso de observar su presencia
Se debe tomar una muestra de las diferentes capas de suelo encontradas
en cada perforacioacuten realizada dichas muestras pueden ser alteradas o
inalteradas
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c Ensayos de laboratorio a las muestras obtenidas para determinar sus
propiedades generales en relacioacuten con la estabilidad y capacidad de
soporte de la subrasante Es necesario establecer las propiedades fiacutesicas
de cada uno de los suelos muestreados y tambieacuten conocer su
comportamiento bajo diversas condiciones por esta razoacuten se realizandiversas pruebas como
Determinacioacuten del contenido de humedad liacutemite plaacutestico y liacutemite liquido
El contenido de humedad de un suelo puede indicar posibles
comportamientos del mismo al ser utilizados como subrasante pues si el
contenido de agua esta cerca del liacutemite liacutequido es probable que el suelo
sea da baja capacidad portante y si el contenido de agua por el
contrario es cercano al liacutemite plaacutestico este tipo de suelo podriacutea
presentar una mayor resistencia mecaacutenica
Anaacutelisis de granulometriacutea Los resultados de esta prueba permiten
clasificar el suelo el cual puede pertenecer a alguno de los siguientes
grupos o ser una combinacioacuten de los mismos
bull Grava Estos aacuteridos son partiacuteculas granulares de material peacutetreo de
tamantildeo que se origina por fragmentacioacuten de las distintas rocas de la
corteza terrestre ya sea en forma natural o artificial Como subrasante
de un pavimento es muy estable ofrece una alta capacidad portante y
permitiriacutea construir una estructura de menor espesor
bull Arena Son partiacuteculas de tamantildeo medio con menor capacidad de
soporte que las gravas pero superior a la de los suelos finos como
arcillas y limos
bull Limo Los limos son fracciones microscoacutepicas del suelo de tamantildeo
intermedio entre la arcilla y la arena Su capacidad de soporte variacutea
de baja a media
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bull Arcilla Las arcillas son principalmente partiacuteculas submicroscoacutepicas
en forma de escamas las cuales presentan muy poco espacio entre
si La arcilla tiene la habilidad de retener el agua Se caracteriza por
un pobre drenaje y baja capacidad portante
Determinacioacuten de densidad de campo y grado de compactacioacuten del
suelo Alta densidad de los suelos se relaciona con alta resistencia
d Determinacioacuten del suelo tiacutepico de subrasante para una unidad de disentildeo
despueacutes de determinar las propiedades de las diferentes capas de suelo
como son granulometriacutea el limite liquido y limite plaacutestico se procede a
dibujar un perfil del suelo el cual permite identificar las caracteriacutesticas
propias del terreno donde se va a ejecutar la obra y delimitar las zonas que
se van a considerar homogeacuteneas
212 Fase de seleccioacuten de la resistencia o capacidad de soporte para
disentildeo Los suelos de subrasante normalmente no alcanzan la falla por
esfuerzo cortante pero los pavimentos fallan por deformaciones y fisuras Las
deformaciones se acumulan y se hacen notorias despueacutes del paso de muchas
repeticiones de carga y las fisuras aparecen en los materiales tratados con
ligantes debido a la fatiga por la aplicacioacuten reiterada de cargas
En la caracterizacioacuten mecaacutenica de un suelo de subrasante es maacutes importante
establecer las relaciones esfuerzo-deformacioacuten ante un gran nuacutemero de
solicitaciones de carga que la capacidad uacuteltima de los materiales bajo una
carga de mayor magnitud
Modulo resiliente
El paraacutemetro mas empleado para definir la capacidad de soporte de una
subrasante es el moacutedulo resiliente paraacutemetro similar al moacutedulo elaacutestico de un
material pero en el cual las deformaciones que se emplean solamente incluyen
la componente recuperable de las mismas
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cuperableaxialn Deformacioacute
axial Esfuerzo Mr siliente Moacutedulo
Re)(Re =
bull El moacutedulo resiliente proporciona la relacioacuten baacutesica entre esfuerzo y
deformacioacuten de los materiales y es un paraacutemetro usado en el anaacutelisisestructural de sistemas estratificados Este ensayo se realiza teniendo en
cuenta diversas condiciones ambientales y de estado de esfuerzos las
cuales simulan las cargas de traacutensito a las que se someteraacute la estructura
Una rueda que se mueve imparte un pulso dinaacutemico a todas las capas
de pavimento y a la subrasante Como respuesta a este pulso dinaacutemico
cada capa de pavimento sufre una deflexioacuten El pulso solicitante variacutea
desde un valor muy bajo hasta un maacuteximo en un breve periodo en
funcioacuten de la velocidad del vehiculo
Figura 11 Esfuerzos en la subrasante con el paso de una llanta de vehiacuteculo
Para tratar de simular en laboratorio este tipo de solicitacioacuten se practican
ensayos triaxiales sobre una muestra de suelo aplicando diversas
presiones de confinamiento y pulsos de carga axiales que ejemplifican la
carga de la llanta
983126983137983154983145983137983139983145983283983150 983140983141983148 983141983155983142983157983141983154983162983151 983141983150 983141983148 983155983157983141983148983151 983139983151983150 983141983148 983152983137983155983151 983140983141 983157983150 983158983141983144983277983139983157983148983151
983109 983155 983142 983157 983141 983154 983162 983151
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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124 Pavimento Compuesto o Semi-riacutegido
La estructura de este tipo de pavimento es muy similar a la de un pavimento
flexible la diferencia radica en que una de sus capas es muy riacutegida porque seha estabilizado con cal cemento o alguacuten producto quiacutemico El propoacutesito de
estos aditivos es mejorar o modificar las caracteriacutesticas mecaacutenicas de los
materiales ya que no son las ideales teniendo en cuenta que los materiales
apropiados para dicha obra estaacuten muy distantes y su adquisicioacuten aumentariacutea
notablemente los costos de la construccioacuten La funcioacuten de la capa estabilizada
es proporcionar una base muy fuerte y la mezcla asfaacuteltica proporciona una
superficie uniforme no reflectiva y que garantiza adherencia con las llantas de
los vehiacuteculos
Figura 7 Estructura de capas de un pavimento semi-riacutegido
125 Pavimento de estructura inversa
El pavimento de estructura inversa se caracteriza por tener mayor espesor y
rigidez en las capas de apoyo que en las capas de la parte superior de la
estructura Entre las capas que conforman este pavimento se encuentra una
capa base tratada con cemento portland la cual actuacutea como una soacutelida
plataforma de trabajo para la construccioacuten de la capa base granular y ademaacutes
reduce las tensiones en la base granular y en la capa de asfalto La capa de
Subrasante
Suelo natural
Suelo compactado
Base tratada
Concreto asfaacuteltico
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grava no tratada o base granular impide el remonte de fisuras transversales de
retraccioacuten que se producen en la capa tratada con cemento
Figura 8 Pavimento de estructura inversa
126 Pavimento Articulado
Los pavimentos articulados estaacuten formados por una capa de rodadura la cual
esta elaborada con bloques de concreto o piedra (adoquines) Estos se pueden
colocar sobre una capa delgada de arena la cual a su vez se apoya sobre una
capa de base granular o directamente sobre la subrasante dependiendo de la
calidad de esta y dependiendo de la magnitud y frecuencia de las cargas que
circulan por la viacutea
Figura 9 Estructura de pavimento articulado
Capa de arena
Subrasante
Suelo compactado
Suelo natural
Adoquines
Base
Subbase granular
Capa tratada con cemento portland
Suelo compactado
Suelo natural
Base Granular
Concreto asfaacuteltico
Subrasante
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La Base
Es la capa colocada entre la subrasante y la capa de rodadura La funcioacuten
primordial de esta capa es aumentar la capacidad de la estructura de
pavimento Esta capa puede estar compuesta por dos o maacutes materialesseleccionados Se podraacuten utilizar bases de material granular suelos
estabilizados o concreto pobre
Capa de arena
Esta capa es colocada directamente sobre la base La capa de arena es de
poco espesor y el material usado es arena gruesa y limpia que sirve como
asiento para colocar uniformemente los adoquines
Adoquines
Los adoquines deben tener propiedades y caracteriacutesticas similares para poder
resistir adecuadamente las cargas de transito y fundamentalmente el desgaste
producido por eacuteste
Sello de arena
Este sello esta constituido por arena muy fina que es colocada entre las juntas
entre los adoquines y su principal funcioacuten es servir de sello a las juntas y
contribuir al funcionamiento de la estructura en conjunto con los demaacutes
elementos de la capa de rodadura La arena que se utilizaraacute para sellar las
juntas entre adoquines debe estar libre de materia orgaacutenica y elementos
contaminantes
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2 LA FUNDACIOacuteN DEL PAVIMENTO O SUBRASANTE
La subrasante es aquella parte de la estructura que tiene como funcioacuten servir
de soporte de las otras capas del pavimento De la calidad de esta capa
depende en gran medida el espesor que debe tener un pavimento
Para dimensionar un pavimento es necesario determinar la capacidad
mecaacutenica de los suelos que serviraacuten de fundacioacuten a las capas de la estructura
la sensibilidad del suelo a la humedad en lo que se refiere a la resistencia como
a las eventuales variacioacuten de volumen (hinchamiento y retraccioacuten)
Como paraacutemetro de caracterizacioacuten se emplea la rigidez del suelo o resistencia
a la deformacioacuten bajo las cargas de traacutensito La subrasante se puede construir
con suelos en su estado natural o suelos con alguacuten proceso de mejoramiento
como la estabilizacioacuten mecaacutenica o quiacutemica entre otras
Ciertos materiales resultan inapropiados como material de subrasante como
por ejemplo los Suelos clasificados como A-8 (seguacuten AASHTO) debido a que
son altamente compresibles estaacuten conformados principalmente de materia
orgaacutenica y tienen una baja resistencia al corte
21 ANAacuteLISIS PARA DETERMINAR LAS CARACTERIacuteSTICAS DE UN
SUELO PARA SUBRASANTE
El estudio de la subrasante para disentildeo de pavimentos comprende diferentes
etapas
211 Fase de seleccioacuten de unidades homogeacuteneas de disentildeo Debido a la
extensioacuten de las zonas que atraviesa una carretera el pavimento se apoya
sobre diversos tipos de formaciones geoloacutegicas y en consecuencia en un tramo
de carretera se pueden presentar diversos tipos de suelos en la subrasante
Para definir una capacidad de soporte es necesario separar por zonas o
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unidades donde los materiales encontrados presenten caracteriacutesticas similares
La delimitacioacuten de las unidades homogeacuteneas de disentildeo se realiza con base en
las caracteriacutesticas geoteacutecnicas climaacutetica topograacuteficas y de drenaje
Figura 10 Ejemplo de zonas geoloacutegicas atravesadas por una carretera
a Delimitacioacuten de formaciones geoloacutegicas Una primera sectorizacioacuten se puede
realizar con base en el estudio de las formaciones geoloacutegicas que sean
identificadas en el trazado del proyecto vial Con base en un mapa en el que se
localicen las formaciones de suelos y el trazado de la viacutea se establecen las
abscisas de inicio y finalizacioacuten de una unidad de disentildeo
b Determinacioacuten del perfil geoteacutecnico de los suelos De manera mas precisa la
ejecucioacuten de perforaciones en el terreno permite identificar las cantidades y
extensiones de suelos existentes en la zona del proyecto la manera como
estos estaacuten dispuestos en capas y conocer profundidades de ubicacioacuten del
nivel freaacutetico El nuacutemero de perforaciones necesarias para conocer el perfil del
suelo se basa en la experiencia dependiendo de a uniformidad del suelo Un
menor nuacutemero de muestras o un mayor espaciamiento de las perforaciones
conlleva mayores riesgos en el disentildeo un nuacutemero muy grande de muestras
genera un elevado costo de la fase de disentildeo El espaciamiento de las
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perforaciones deberiacutea ser el menor posible y que permita mantener los costos
del disentildeo en liacutemites razonables
En viacuteas con altos voluacutemenes de traacutensito se deberiacutea reducir el riesgo de que la
estructura de pavimento quede cimentada en materiales que no fueronensayados durante la etapa de disentildeo En los sitios donde los materiales
tuviesen una menor capacidad de soporte que la de disentildeo el pavimento se
degradariacutea tempranamente y las reparaciones respectivas ocasionariacutean cierres
molestias y mayores costos de operacioacuten a un gran nuacutemero de usuarios de la
viacutea
La presencia de camiones con mayores cargas por eje altera los esfuerzos en
capas de suelos que se encuentran a mayor profundidad Para la ubicacioacuten
profundidad y definicioacuten del nuacutemero de perforaciones podriacutea adoptarse como
guiacutea
En proyectos de construccioacuten de viacuteas importantes un sondeo cada 250
metros obteniendo muestras de suelos hasta 15 metros de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
En proyectos viales de bajo volumen de traacutensito un sondeo cada 500
metros obteniendo muestras de suelos hasta 10 metro de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
Los datos que se deben tomar de cada una de las perforaciones realizadas
son el espesor de las capas encontradas y su posicioacuten exacta en sentido
vertical asiacute como la identificacioacuten visual de los materiales indicando su
color y consistencia Ademaacutes se debe registrar la posicioacuten del nivel freaacutetico
en caso de observar su presencia
Se debe tomar una muestra de las diferentes capas de suelo encontradas
en cada perforacioacuten realizada dichas muestras pueden ser alteradas o
inalteradas
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c Ensayos de laboratorio a las muestras obtenidas para determinar sus
propiedades generales en relacioacuten con la estabilidad y capacidad de
soporte de la subrasante Es necesario establecer las propiedades fiacutesicas
de cada uno de los suelos muestreados y tambieacuten conocer su
comportamiento bajo diversas condiciones por esta razoacuten se realizandiversas pruebas como
Determinacioacuten del contenido de humedad liacutemite plaacutestico y liacutemite liquido
El contenido de humedad de un suelo puede indicar posibles
comportamientos del mismo al ser utilizados como subrasante pues si el
contenido de agua esta cerca del liacutemite liacutequido es probable que el suelo
sea da baja capacidad portante y si el contenido de agua por el
contrario es cercano al liacutemite plaacutestico este tipo de suelo podriacutea
presentar una mayor resistencia mecaacutenica
Anaacutelisis de granulometriacutea Los resultados de esta prueba permiten
clasificar el suelo el cual puede pertenecer a alguno de los siguientes
grupos o ser una combinacioacuten de los mismos
bull Grava Estos aacuteridos son partiacuteculas granulares de material peacutetreo de
tamantildeo que se origina por fragmentacioacuten de las distintas rocas de la
corteza terrestre ya sea en forma natural o artificial Como subrasante
de un pavimento es muy estable ofrece una alta capacidad portante y
permitiriacutea construir una estructura de menor espesor
bull Arena Son partiacuteculas de tamantildeo medio con menor capacidad de
soporte que las gravas pero superior a la de los suelos finos como
arcillas y limos
bull Limo Los limos son fracciones microscoacutepicas del suelo de tamantildeo
intermedio entre la arcilla y la arena Su capacidad de soporte variacutea
de baja a media
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bull Arcilla Las arcillas son principalmente partiacuteculas submicroscoacutepicas
en forma de escamas las cuales presentan muy poco espacio entre
si La arcilla tiene la habilidad de retener el agua Se caracteriza por
un pobre drenaje y baja capacidad portante
Determinacioacuten de densidad de campo y grado de compactacioacuten del
suelo Alta densidad de los suelos se relaciona con alta resistencia
d Determinacioacuten del suelo tiacutepico de subrasante para una unidad de disentildeo
despueacutes de determinar las propiedades de las diferentes capas de suelo
como son granulometriacutea el limite liquido y limite plaacutestico se procede a
dibujar un perfil del suelo el cual permite identificar las caracteriacutesticas
propias del terreno donde se va a ejecutar la obra y delimitar las zonas que
se van a considerar homogeacuteneas
212 Fase de seleccioacuten de la resistencia o capacidad de soporte para
disentildeo Los suelos de subrasante normalmente no alcanzan la falla por
esfuerzo cortante pero los pavimentos fallan por deformaciones y fisuras Las
deformaciones se acumulan y se hacen notorias despueacutes del paso de muchas
repeticiones de carga y las fisuras aparecen en los materiales tratados con
ligantes debido a la fatiga por la aplicacioacuten reiterada de cargas
En la caracterizacioacuten mecaacutenica de un suelo de subrasante es maacutes importante
establecer las relaciones esfuerzo-deformacioacuten ante un gran nuacutemero de
solicitaciones de carga que la capacidad uacuteltima de los materiales bajo una
carga de mayor magnitud
Modulo resiliente
El paraacutemetro mas empleado para definir la capacidad de soporte de una
subrasante es el moacutedulo resiliente paraacutemetro similar al moacutedulo elaacutestico de un
material pero en el cual las deformaciones que se emplean solamente incluyen
la componente recuperable de las mismas
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cuperableaxialn Deformacioacute
axial Esfuerzo Mr siliente Moacutedulo
Re)(Re =
bull El moacutedulo resiliente proporciona la relacioacuten baacutesica entre esfuerzo y
deformacioacuten de los materiales y es un paraacutemetro usado en el anaacutelisisestructural de sistemas estratificados Este ensayo se realiza teniendo en
cuenta diversas condiciones ambientales y de estado de esfuerzos las
cuales simulan las cargas de traacutensito a las que se someteraacute la estructura
Una rueda que se mueve imparte un pulso dinaacutemico a todas las capas
de pavimento y a la subrasante Como respuesta a este pulso dinaacutemico
cada capa de pavimento sufre una deflexioacuten El pulso solicitante variacutea
desde un valor muy bajo hasta un maacuteximo en un breve periodo en
funcioacuten de la velocidad del vehiculo
Figura 11 Esfuerzos en la subrasante con el paso de una llanta de vehiacuteculo
Para tratar de simular en laboratorio este tipo de solicitacioacuten se practican
ensayos triaxiales sobre una muestra de suelo aplicando diversas
presiones de confinamiento y pulsos de carga axiales que ejemplifican la
carga de la llanta
983126983137983154983145983137983139983145983283983150 983140983141983148 983141983155983142983157983141983154983162983151 983141983150 983141983148 983155983157983141983148983151 983139983151983150 983141983148 983152983137983155983151 983140983141 983157983150 983158983141983144983277983139983157983148983151
983109 983155 983142 983157 983141 983154 983162 983151
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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grava no tratada o base granular impide el remonte de fisuras transversales de
retraccioacuten que se producen en la capa tratada con cemento
Figura 8 Pavimento de estructura inversa
126 Pavimento Articulado
Los pavimentos articulados estaacuten formados por una capa de rodadura la cual
esta elaborada con bloques de concreto o piedra (adoquines) Estos se pueden
colocar sobre una capa delgada de arena la cual a su vez se apoya sobre una
capa de base granular o directamente sobre la subrasante dependiendo de la
calidad de esta y dependiendo de la magnitud y frecuencia de las cargas que
circulan por la viacutea
Figura 9 Estructura de pavimento articulado
Capa de arena
Subrasante
Suelo compactado
Suelo natural
Adoquines
Base
Subbase granular
Capa tratada con cemento portland
Suelo compactado
Suelo natural
Base Granular
Concreto asfaacuteltico
Subrasante
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La Base
Es la capa colocada entre la subrasante y la capa de rodadura La funcioacuten
primordial de esta capa es aumentar la capacidad de la estructura de
pavimento Esta capa puede estar compuesta por dos o maacutes materialesseleccionados Se podraacuten utilizar bases de material granular suelos
estabilizados o concreto pobre
Capa de arena
Esta capa es colocada directamente sobre la base La capa de arena es de
poco espesor y el material usado es arena gruesa y limpia que sirve como
asiento para colocar uniformemente los adoquines
Adoquines
Los adoquines deben tener propiedades y caracteriacutesticas similares para poder
resistir adecuadamente las cargas de transito y fundamentalmente el desgaste
producido por eacuteste
Sello de arena
Este sello esta constituido por arena muy fina que es colocada entre las juntas
entre los adoquines y su principal funcioacuten es servir de sello a las juntas y
contribuir al funcionamiento de la estructura en conjunto con los demaacutes
elementos de la capa de rodadura La arena que se utilizaraacute para sellar las
juntas entre adoquines debe estar libre de materia orgaacutenica y elementos
contaminantes
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2 LA FUNDACIOacuteN DEL PAVIMENTO O SUBRASANTE
La subrasante es aquella parte de la estructura que tiene como funcioacuten servir
de soporte de las otras capas del pavimento De la calidad de esta capa
depende en gran medida el espesor que debe tener un pavimento
Para dimensionar un pavimento es necesario determinar la capacidad
mecaacutenica de los suelos que serviraacuten de fundacioacuten a las capas de la estructura
la sensibilidad del suelo a la humedad en lo que se refiere a la resistencia como
a las eventuales variacioacuten de volumen (hinchamiento y retraccioacuten)
Como paraacutemetro de caracterizacioacuten se emplea la rigidez del suelo o resistencia
a la deformacioacuten bajo las cargas de traacutensito La subrasante se puede construir
con suelos en su estado natural o suelos con alguacuten proceso de mejoramiento
como la estabilizacioacuten mecaacutenica o quiacutemica entre otras
Ciertos materiales resultan inapropiados como material de subrasante como
por ejemplo los Suelos clasificados como A-8 (seguacuten AASHTO) debido a que
son altamente compresibles estaacuten conformados principalmente de materia
orgaacutenica y tienen una baja resistencia al corte
21 ANAacuteLISIS PARA DETERMINAR LAS CARACTERIacuteSTICAS DE UN
SUELO PARA SUBRASANTE
El estudio de la subrasante para disentildeo de pavimentos comprende diferentes
etapas
211 Fase de seleccioacuten de unidades homogeacuteneas de disentildeo Debido a la
extensioacuten de las zonas que atraviesa una carretera el pavimento se apoya
sobre diversos tipos de formaciones geoloacutegicas y en consecuencia en un tramo
de carretera se pueden presentar diversos tipos de suelos en la subrasante
Para definir una capacidad de soporte es necesario separar por zonas o
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unidades donde los materiales encontrados presenten caracteriacutesticas similares
La delimitacioacuten de las unidades homogeacuteneas de disentildeo se realiza con base en
las caracteriacutesticas geoteacutecnicas climaacutetica topograacuteficas y de drenaje
Figura 10 Ejemplo de zonas geoloacutegicas atravesadas por una carretera
a Delimitacioacuten de formaciones geoloacutegicas Una primera sectorizacioacuten se puede
realizar con base en el estudio de las formaciones geoloacutegicas que sean
identificadas en el trazado del proyecto vial Con base en un mapa en el que se
localicen las formaciones de suelos y el trazado de la viacutea se establecen las
abscisas de inicio y finalizacioacuten de una unidad de disentildeo
b Determinacioacuten del perfil geoteacutecnico de los suelos De manera mas precisa la
ejecucioacuten de perforaciones en el terreno permite identificar las cantidades y
extensiones de suelos existentes en la zona del proyecto la manera como
estos estaacuten dispuestos en capas y conocer profundidades de ubicacioacuten del
nivel freaacutetico El nuacutemero de perforaciones necesarias para conocer el perfil del
suelo se basa en la experiencia dependiendo de a uniformidad del suelo Un
menor nuacutemero de muestras o un mayor espaciamiento de las perforaciones
conlleva mayores riesgos en el disentildeo un nuacutemero muy grande de muestras
genera un elevado costo de la fase de disentildeo El espaciamiento de las
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perforaciones deberiacutea ser el menor posible y que permita mantener los costos
del disentildeo en liacutemites razonables
En viacuteas con altos voluacutemenes de traacutensito se deberiacutea reducir el riesgo de que la
estructura de pavimento quede cimentada en materiales que no fueronensayados durante la etapa de disentildeo En los sitios donde los materiales
tuviesen una menor capacidad de soporte que la de disentildeo el pavimento se
degradariacutea tempranamente y las reparaciones respectivas ocasionariacutean cierres
molestias y mayores costos de operacioacuten a un gran nuacutemero de usuarios de la
viacutea
La presencia de camiones con mayores cargas por eje altera los esfuerzos en
capas de suelos que se encuentran a mayor profundidad Para la ubicacioacuten
profundidad y definicioacuten del nuacutemero de perforaciones podriacutea adoptarse como
guiacutea
En proyectos de construccioacuten de viacuteas importantes un sondeo cada 250
metros obteniendo muestras de suelos hasta 15 metros de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
En proyectos viales de bajo volumen de traacutensito un sondeo cada 500
metros obteniendo muestras de suelos hasta 10 metro de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
Los datos que se deben tomar de cada una de las perforaciones realizadas
son el espesor de las capas encontradas y su posicioacuten exacta en sentido
vertical asiacute como la identificacioacuten visual de los materiales indicando su
color y consistencia Ademaacutes se debe registrar la posicioacuten del nivel freaacutetico
en caso de observar su presencia
Se debe tomar una muestra de las diferentes capas de suelo encontradas
en cada perforacioacuten realizada dichas muestras pueden ser alteradas o
inalteradas
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c Ensayos de laboratorio a las muestras obtenidas para determinar sus
propiedades generales en relacioacuten con la estabilidad y capacidad de
soporte de la subrasante Es necesario establecer las propiedades fiacutesicas
de cada uno de los suelos muestreados y tambieacuten conocer su
comportamiento bajo diversas condiciones por esta razoacuten se realizandiversas pruebas como
Determinacioacuten del contenido de humedad liacutemite plaacutestico y liacutemite liquido
El contenido de humedad de un suelo puede indicar posibles
comportamientos del mismo al ser utilizados como subrasante pues si el
contenido de agua esta cerca del liacutemite liacutequido es probable que el suelo
sea da baja capacidad portante y si el contenido de agua por el
contrario es cercano al liacutemite plaacutestico este tipo de suelo podriacutea
presentar una mayor resistencia mecaacutenica
Anaacutelisis de granulometriacutea Los resultados de esta prueba permiten
clasificar el suelo el cual puede pertenecer a alguno de los siguientes
grupos o ser una combinacioacuten de los mismos
bull Grava Estos aacuteridos son partiacuteculas granulares de material peacutetreo de
tamantildeo que se origina por fragmentacioacuten de las distintas rocas de la
corteza terrestre ya sea en forma natural o artificial Como subrasante
de un pavimento es muy estable ofrece una alta capacidad portante y
permitiriacutea construir una estructura de menor espesor
bull Arena Son partiacuteculas de tamantildeo medio con menor capacidad de
soporte que las gravas pero superior a la de los suelos finos como
arcillas y limos
bull Limo Los limos son fracciones microscoacutepicas del suelo de tamantildeo
intermedio entre la arcilla y la arena Su capacidad de soporte variacutea
de baja a media
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bull Arcilla Las arcillas son principalmente partiacuteculas submicroscoacutepicas
en forma de escamas las cuales presentan muy poco espacio entre
si La arcilla tiene la habilidad de retener el agua Se caracteriza por
un pobre drenaje y baja capacidad portante
Determinacioacuten de densidad de campo y grado de compactacioacuten del
suelo Alta densidad de los suelos se relaciona con alta resistencia
d Determinacioacuten del suelo tiacutepico de subrasante para una unidad de disentildeo
despueacutes de determinar las propiedades de las diferentes capas de suelo
como son granulometriacutea el limite liquido y limite plaacutestico se procede a
dibujar un perfil del suelo el cual permite identificar las caracteriacutesticas
propias del terreno donde se va a ejecutar la obra y delimitar las zonas que
se van a considerar homogeacuteneas
212 Fase de seleccioacuten de la resistencia o capacidad de soporte para
disentildeo Los suelos de subrasante normalmente no alcanzan la falla por
esfuerzo cortante pero los pavimentos fallan por deformaciones y fisuras Las
deformaciones se acumulan y se hacen notorias despueacutes del paso de muchas
repeticiones de carga y las fisuras aparecen en los materiales tratados con
ligantes debido a la fatiga por la aplicacioacuten reiterada de cargas
En la caracterizacioacuten mecaacutenica de un suelo de subrasante es maacutes importante
establecer las relaciones esfuerzo-deformacioacuten ante un gran nuacutemero de
solicitaciones de carga que la capacidad uacuteltima de los materiales bajo una
carga de mayor magnitud
Modulo resiliente
El paraacutemetro mas empleado para definir la capacidad de soporte de una
subrasante es el moacutedulo resiliente paraacutemetro similar al moacutedulo elaacutestico de un
material pero en el cual las deformaciones que se emplean solamente incluyen
la componente recuperable de las mismas
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cuperableaxialn Deformacioacute
axial Esfuerzo Mr siliente Moacutedulo
Re)(Re =
bull El moacutedulo resiliente proporciona la relacioacuten baacutesica entre esfuerzo y
deformacioacuten de los materiales y es un paraacutemetro usado en el anaacutelisisestructural de sistemas estratificados Este ensayo se realiza teniendo en
cuenta diversas condiciones ambientales y de estado de esfuerzos las
cuales simulan las cargas de traacutensito a las que se someteraacute la estructura
Una rueda que se mueve imparte un pulso dinaacutemico a todas las capas
de pavimento y a la subrasante Como respuesta a este pulso dinaacutemico
cada capa de pavimento sufre una deflexioacuten El pulso solicitante variacutea
desde un valor muy bajo hasta un maacuteximo en un breve periodo en
funcioacuten de la velocidad del vehiculo
Figura 11 Esfuerzos en la subrasante con el paso de una llanta de vehiacuteculo
Para tratar de simular en laboratorio este tipo de solicitacioacuten se practican
ensayos triaxiales sobre una muestra de suelo aplicando diversas
presiones de confinamiento y pulsos de carga axiales que ejemplifican la
carga de la llanta
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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La Base
Es la capa colocada entre la subrasante y la capa de rodadura La funcioacuten
primordial de esta capa es aumentar la capacidad de la estructura de
pavimento Esta capa puede estar compuesta por dos o maacutes materialesseleccionados Se podraacuten utilizar bases de material granular suelos
estabilizados o concreto pobre
Capa de arena
Esta capa es colocada directamente sobre la base La capa de arena es de
poco espesor y el material usado es arena gruesa y limpia que sirve como
asiento para colocar uniformemente los adoquines
Adoquines
Los adoquines deben tener propiedades y caracteriacutesticas similares para poder
resistir adecuadamente las cargas de transito y fundamentalmente el desgaste
producido por eacuteste
Sello de arena
Este sello esta constituido por arena muy fina que es colocada entre las juntas
entre los adoquines y su principal funcioacuten es servir de sello a las juntas y
contribuir al funcionamiento de la estructura en conjunto con los demaacutes
elementos de la capa de rodadura La arena que se utilizaraacute para sellar las
juntas entre adoquines debe estar libre de materia orgaacutenica y elementos
contaminantes
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2 LA FUNDACIOacuteN DEL PAVIMENTO O SUBRASANTE
La subrasante es aquella parte de la estructura que tiene como funcioacuten servir
de soporte de las otras capas del pavimento De la calidad de esta capa
depende en gran medida el espesor que debe tener un pavimento
Para dimensionar un pavimento es necesario determinar la capacidad
mecaacutenica de los suelos que serviraacuten de fundacioacuten a las capas de la estructura
la sensibilidad del suelo a la humedad en lo que se refiere a la resistencia como
a las eventuales variacioacuten de volumen (hinchamiento y retraccioacuten)
Como paraacutemetro de caracterizacioacuten se emplea la rigidez del suelo o resistencia
a la deformacioacuten bajo las cargas de traacutensito La subrasante se puede construir
con suelos en su estado natural o suelos con alguacuten proceso de mejoramiento
como la estabilizacioacuten mecaacutenica o quiacutemica entre otras
Ciertos materiales resultan inapropiados como material de subrasante como
por ejemplo los Suelos clasificados como A-8 (seguacuten AASHTO) debido a que
son altamente compresibles estaacuten conformados principalmente de materia
orgaacutenica y tienen una baja resistencia al corte
21 ANAacuteLISIS PARA DETERMINAR LAS CARACTERIacuteSTICAS DE UN
SUELO PARA SUBRASANTE
El estudio de la subrasante para disentildeo de pavimentos comprende diferentes
etapas
211 Fase de seleccioacuten de unidades homogeacuteneas de disentildeo Debido a la
extensioacuten de las zonas que atraviesa una carretera el pavimento se apoya
sobre diversos tipos de formaciones geoloacutegicas y en consecuencia en un tramo
de carretera se pueden presentar diversos tipos de suelos en la subrasante
Para definir una capacidad de soporte es necesario separar por zonas o
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unidades donde los materiales encontrados presenten caracteriacutesticas similares
La delimitacioacuten de las unidades homogeacuteneas de disentildeo se realiza con base en
las caracteriacutesticas geoteacutecnicas climaacutetica topograacuteficas y de drenaje
Figura 10 Ejemplo de zonas geoloacutegicas atravesadas por una carretera
a Delimitacioacuten de formaciones geoloacutegicas Una primera sectorizacioacuten se puede
realizar con base en el estudio de las formaciones geoloacutegicas que sean
identificadas en el trazado del proyecto vial Con base en un mapa en el que se
localicen las formaciones de suelos y el trazado de la viacutea se establecen las
abscisas de inicio y finalizacioacuten de una unidad de disentildeo
b Determinacioacuten del perfil geoteacutecnico de los suelos De manera mas precisa la
ejecucioacuten de perforaciones en el terreno permite identificar las cantidades y
extensiones de suelos existentes en la zona del proyecto la manera como
estos estaacuten dispuestos en capas y conocer profundidades de ubicacioacuten del
nivel freaacutetico El nuacutemero de perforaciones necesarias para conocer el perfil del
suelo se basa en la experiencia dependiendo de a uniformidad del suelo Un
menor nuacutemero de muestras o un mayor espaciamiento de las perforaciones
conlleva mayores riesgos en el disentildeo un nuacutemero muy grande de muestras
genera un elevado costo de la fase de disentildeo El espaciamiento de las
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perforaciones deberiacutea ser el menor posible y que permita mantener los costos
del disentildeo en liacutemites razonables
En viacuteas con altos voluacutemenes de traacutensito se deberiacutea reducir el riesgo de que la
estructura de pavimento quede cimentada en materiales que no fueronensayados durante la etapa de disentildeo En los sitios donde los materiales
tuviesen una menor capacidad de soporte que la de disentildeo el pavimento se
degradariacutea tempranamente y las reparaciones respectivas ocasionariacutean cierres
molestias y mayores costos de operacioacuten a un gran nuacutemero de usuarios de la
viacutea
La presencia de camiones con mayores cargas por eje altera los esfuerzos en
capas de suelos que se encuentran a mayor profundidad Para la ubicacioacuten
profundidad y definicioacuten del nuacutemero de perforaciones podriacutea adoptarse como
guiacutea
En proyectos de construccioacuten de viacuteas importantes un sondeo cada 250
metros obteniendo muestras de suelos hasta 15 metros de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
En proyectos viales de bajo volumen de traacutensito un sondeo cada 500
metros obteniendo muestras de suelos hasta 10 metro de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
Los datos que se deben tomar de cada una de las perforaciones realizadas
son el espesor de las capas encontradas y su posicioacuten exacta en sentido
vertical asiacute como la identificacioacuten visual de los materiales indicando su
color y consistencia Ademaacutes se debe registrar la posicioacuten del nivel freaacutetico
en caso de observar su presencia
Se debe tomar una muestra de las diferentes capas de suelo encontradas
en cada perforacioacuten realizada dichas muestras pueden ser alteradas o
inalteradas
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c Ensayos de laboratorio a las muestras obtenidas para determinar sus
propiedades generales en relacioacuten con la estabilidad y capacidad de
soporte de la subrasante Es necesario establecer las propiedades fiacutesicas
de cada uno de los suelos muestreados y tambieacuten conocer su
comportamiento bajo diversas condiciones por esta razoacuten se realizandiversas pruebas como
Determinacioacuten del contenido de humedad liacutemite plaacutestico y liacutemite liquido
El contenido de humedad de un suelo puede indicar posibles
comportamientos del mismo al ser utilizados como subrasante pues si el
contenido de agua esta cerca del liacutemite liacutequido es probable que el suelo
sea da baja capacidad portante y si el contenido de agua por el
contrario es cercano al liacutemite plaacutestico este tipo de suelo podriacutea
presentar una mayor resistencia mecaacutenica
Anaacutelisis de granulometriacutea Los resultados de esta prueba permiten
clasificar el suelo el cual puede pertenecer a alguno de los siguientes
grupos o ser una combinacioacuten de los mismos
bull Grava Estos aacuteridos son partiacuteculas granulares de material peacutetreo de
tamantildeo que se origina por fragmentacioacuten de las distintas rocas de la
corteza terrestre ya sea en forma natural o artificial Como subrasante
de un pavimento es muy estable ofrece una alta capacidad portante y
permitiriacutea construir una estructura de menor espesor
bull Arena Son partiacuteculas de tamantildeo medio con menor capacidad de
soporte que las gravas pero superior a la de los suelos finos como
arcillas y limos
bull Limo Los limos son fracciones microscoacutepicas del suelo de tamantildeo
intermedio entre la arcilla y la arena Su capacidad de soporte variacutea
de baja a media
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bull Arcilla Las arcillas son principalmente partiacuteculas submicroscoacutepicas
en forma de escamas las cuales presentan muy poco espacio entre
si La arcilla tiene la habilidad de retener el agua Se caracteriza por
un pobre drenaje y baja capacidad portante
Determinacioacuten de densidad de campo y grado de compactacioacuten del
suelo Alta densidad de los suelos se relaciona con alta resistencia
d Determinacioacuten del suelo tiacutepico de subrasante para una unidad de disentildeo
despueacutes de determinar las propiedades de las diferentes capas de suelo
como son granulometriacutea el limite liquido y limite plaacutestico se procede a
dibujar un perfil del suelo el cual permite identificar las caracteriacutesticas
propias del terreno donde se va a ejecutar la obra y delimitar las zonas que
se van a considerar homogeacuteneas
212 Fase de seleccioacuten de la resistencia o capacidad de soporte para
disentildeo Los suelos de subrasante normalmente no alcanzan la falla por
esfuerzo cortante pero los pavimentos fallan por deformaciones y fisuras Las
deformaciones se acumulan y se hacen notorias despueacutes del paso de muchas
repeticiones de carga y las fisuras aparecen en los materiales tratados con
ligantes debido a la fatiga por la aplicacioacuten reiterada de cargas
En la caracterizacioacuten mecaacutenica de un suelo de subrasante es maacutes importante
establecer las relaciones esfuerzo-deformacioacuten ante un gran nuacutemero de
solicitaciones de carga que la capacidad uacuteltima de los materiales bajo una
carga de mayor magnitud
Modulo resiliente
El paraacutemetro mas empleado para definir la capacidad de soporte de una
subrasante es el moacutedulo resiliente paraacutemetro similar al moacutedulo elaacutestico de un
material pero en el cual las deformaciones que se emplean solamente incluyen
la componente recuperable de las mismas
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cuperableaxialn Deformacioacute
axial Esfuerzo Mr siliente Moacutedulo
Re)(Re =
bull El moacutedulo resiliente proporciona la relacioacuten baacutesica entre esfuerzo y
deformacioacuten de los materiales y es un paraacutemetro usado en el anaacutelisisestructural de sistemas estratificados Este ensayo se realiza teniendo en
cuenta diversas condiciones ambientales y de estado de esfuerzos las
cuales simulan las cargas de traacutensito a las que se someteraacute la estructura
Una rueda que se mueve imparte un pulso dinaacutemico a todas las capas
de pavimento y a la subrasante Como respuesta a este pulso dinaacutemico
cada capa de pavimento sufre una deflexioacuten El pulso solicitante variacutea
desde un valor muy bajo hasta un maacuteximo en un breve periodo en
funcioacuten de la velocidad del vehiculo
Figura 11 Esfuerzos en la subrasante con el paso de una llanta de vehiacuteculo
Para tratar de simular en laboratorio este tipo de solicitacioacuten se practican
ensayos triaxiales sobre una muestra de suelo aplicando diversas
presiones de confinamiento y pulsos de carga axiales que ejemplifican la
carga de la llanta
983126983137983154983145983137983139983145983283983150 983140983141983148 983141983155983142983157983141983154983162983151 983141983150 983141983148 983155983157983141983148983151 983139983151983150 983141983148 983152983137983155983151 983140983141 983157983150 983158983141983144983277983139983157983148983151
983109 983155 983142 983157 983141 983154 983162 983151
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
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Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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2 LA FUNDACIOacuteN DEL PAVIMENTO O SUBRASANTE
La subrasante es aquella parte de la estructura que tiene como funcioacuten servir
de soporte de las otras capas del pavimento De la calidad de esta capa
depende en gran medida el espesor que debe tener un pavimento
Para dimensionar un pavimento es necesario determinar la capacidad
mecaacutenica de los suelos que serviraacuten de fundacioacuten a las capas de la estructura
la sensibilidad del suelo a la humedad en lo que se refiere a la resistencia como
a las eventuales variacioacuten de volumen (hinchamiento y retraccioacuten)
Como paraacutemetro de caracterizacioacuten se emplea la rigidez del suelo o resistencia
a la deformacioacuten bajo las cargas de traacutensito La subrasante se puede construir
con suelos en su estado natural o suelos con alguacuten proceso de mejoramiento
como la estabilizacioacuten mecaacutenica o quiacutemica entre otras
Ciertos materiales resultan inapropiados como material de subrasante como
por ejemplo los Suelos clasificados como A-8 (seguacuten AASHTO) debido a que
son altamente compresibles estaacuten conformados principalmente de materia
orgaacutenica y tienen una baja resistencia al corte
21 ANAacuteLISIS PARA DETERMINAR LAS CARACTERIacuteSTICAS DE UN
SUELO PARA SUBRASANTE
El estudio de la subrasante para disentildeo de pavimentos comprende diferentes
etapas
211 Fase de seleccioacuten de unidades homogeacuteneas de disentildeo Debido a la
extensioacuten de las zonas que atraviesa una carretera el pavimento se apoya
sobre diversos tipos de formaciones geoloacutegicas y en consecuencia en un tramo
de carretera se pueden presentar diversos tipos de suelos en la subrasante
Para definir una capacidad de soporte es necesario separar por zonas o
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unidades donde los materiales encontrados presenten caracteriacutesticas similares
La delimitacioacuten de las unidades homogeacuteneas de disentildeo se realiza con base en
las caracteriacutesticas geoteacutecnicas climaacutetica topograacuteficas y de drenaje
Figura 10 Ejemplo de zonas geoloacutegicas atravesadas por una carretera
a Delimitacioacuten de formaciones geoloacutegicas Una primera sectorizacioacuten se puede
realizar con base en el estudio de las formaciones geoloacutegicas que sean
identificadas en el trazado del proyecto vial Con base en un mapa en el que se
localicen las formaciones de suelos y el trazado de la viacutea se establecen las
abscisas de inicio y finalizacioacuten de una unidad de disentildeo
b Determinacioacuten del perfil geoteacutecnico de los suelos De manera mas precisa la
ejecucioacuten de perforaciones en el terreno permite identificar las cantidades y
extensiones de suelos existentes en la zona del proyecto la manera como
estos estaacuten dispuestos en capas y conocer profundidades de ubicacioacuten del
nivel freaacutetico El nuacutemero de perforaciones necesarias para conocer el perfil del
suelo se basa en la experiencia dependiendo de a uniformidad del suelo Un
menor nuacutemero de muestras o un mayor espaciamiento de las perforaciones
conlleva mayores riesgos en el disentildeo un nuacutemero muy grande de muestras
genera un elevado costo de la fase de disentildeo El espaciamiento de las
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perforaciones deberiacutea ser el menor posible y que permita mantener los costos
del disentildeo en liacutemites razonables
En viacuteas con altos voluacutemenes de traacutensito se deberiacutea reducir el riesgo de que la
estructura de pavimento quede cimentada en materiales que no fueronensayados durante la etapa de disentildeo En los sitios donde los materiales
tuviesen una menor capacidad de soporte que la de disentildeo el pavimento se
degradariacutea tempranamente y las reparaciones respectivas ocasionariacutean cierres
molestias y mayores costos de operacioacuten a un gran nuacutemero de usuarios de la
viacutea
La presencia de camiones con mayores cargas por eje altera los esfuerzos en
capas de suelos que se encuentran a mayor profundidad Para la ubicacioacuten
profundidad y definicioacuten del nuacutemero de perforaciones podriacutea adoptarse como
guiacutea
En proyectos de construccioacuten de viacuteas importantes un sondeo cada 250
metros obteniendo muestras de suelos hasta 15 metros de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
En proyectos viales de bajo volumen de traacutensito un sondeo cada 500
metros obteniendo muestras de suelos hasta 10 metro de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
Los datos que se deben tomar de cada una de las perforaciones realizadas
son el espesor de las capas encontradas y su posicioacuten exacta en sentido
vertical asiacute como la identificacioacuten visual de los materiales indicando su
color y consistencia Ademaacutes se debe registrar la posicioacuten del nivel freaacutetico
en caso de observar su presencia
Se debe tomar una muestra de las diferentes capas de suelo encontradas
en cada perforacioacuten realizada dichas muestras pueden ser alteradas o
inalteradas
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c Ensayos de laboratorio a las muestras obtenidas para determinar sus
propiedades generales en relacioacuten con la estabilidad y capacidad de
soporte de la subrasante Es necesario establecer las propiedades fiacutesicas
de cada uno de los suelos muestreados y tambieacuten conocer su
comportamiento bajo diversas condiciones por esta razoacuten se realizandiversas pruebas como
Determinacioacuten del contenido de humedad liacutemite plaacutestico y liacutemite liquido
El contenido de humedad de un suelo puede indicar posibles
comportamientos del mismo al ser utilizados como subrasante pues si el
contenido de agua esta cerca del liacutemite liacutequido es probable que el suelo
sea da baja capacidad portante y si el contenido de agua por el
contrario es cercano al liacutemite plaacutestico este tipo de suelo podriacutea
presentar una mayor resistencia mecaacutenica
Anaacutelisis de granulometriacutea Los resultados de esta prueba permiten
clasificar el suelo el cual puede pertenecer a alguno de los siguientes
grupos o ser una combinacioacuten de los mismos
bull Grava Estos aacuteridos son partiacuteculas granulares de material peacutetreo de
tamantildeo que se origina por fragmentacioacuten de las distintas rocas de la
corteza terrestre ya sea en forma natural o artificial Como subrasante
de un pavimento es muy estable ofrece una alta capacidad portante y
permitiriacutea construir una estructura de menor espesor
bull Arena Son partiacuteculas de tamantildeo medio con menor capacidad de
soporte que las gravas pero superior a la de los suelos finos como
arcillas y limos
bull Limo Los limos son fracciones microscoacutepicas del suelo de tamantildeo
intermedio entre la arcilla y la arena Su capacidad de soporte variacutea
de baja a media
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bull Arcilla Las arcillas son principalmente partiacuteculas submicroscoacutepicas
en forma de escamas las cuales presentan muy poco espacio entre
si La arcilla tiene la habilidad de retener el agua Se caracteriza por
un pobre drenaje y baja capacidad portante
Determinacioacuten de densidad de campo y grado de compactacioacuten del
suelo Alta densidad de los suelos se relaciona con alta resistencia
d Determinacioacuten del suelo tiacutepico de subrasante para una unidad de disentildeo
despueacutes de determinar las propiedades de las diferentes capas de suelo
como son granulometriacutea el limite liquido y limite plaacutestico se procede a
dibujar un perfil del suelo el cual permite identificar las caracteriacutesticas
propias del terreno donde se va a ejecutar la obra y delimitar las zonas que
se van a considerar homogeacuteneas
212 Fase de seleccioacuten de la resistencia o capacidad de soporte para
disentildeo Los suelos de subrasante normalmente no alcanzan la falla por
esfuerzo cortante pero los pavimentos fallan por deformaciones y fisuras Las
deformaciones se acumulan y se hacen notorias despueacutes del paso de muchas
repeticiones de carga y las fisuras aparecen en los materiales tratados con
ligantes debido a la fatiga por la aplicacioacuten reiterada de cargas
En la caracterizacioacuten mecaacutenica de un suelo de subrasante es maacutes importante
establecer las relaciones esfuerzo-deformacioacuten ante un gran nuacutemero de
solicitaciones de carga que la capacidad uacuteltima de los materiales bajo una
carga de mayor magnitud
Modulo resiliente
El paraacutemetro mas empleado para definir la capacidad de soporte de una
subrasante es el moacutedulo resiliente paraacutemetro similar al moacutedulo elaacutestico de un
material pero en el cual las deformaciones que se emplean solamente incluyen
la componente recuperable de las mismas
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cuperableaxialn Deformacioacute
axial Esfuerzo Mr siliente Moacutedulo
Re)(Re =
bull El moacutedulo resiliente proporciona la relacioacuten baacutesica entre esfuerzo y
deformacioacuten de los materiales y es un paraacutemetro usado en el anaacutelisisestructural de sistemas estratificados Este ensayo se realiza teniendo en
cuenta diversas condiciones ambientales y de estado de esfuerzos las
cuales simulan las cargas de traacutensito a las que se someteraacute la estructura
Una rueda que se mueve imparte un pulso dinaacutemico a todas las capas
de pavimento y a la subrasante Como respuesta a este pulso dinaacutemico
cada capa de pavimento sufre una deflexioacuten El pulso solicitante variacutea
desde un valor muy bajo hasta un maacuteximo en un breve periodo en
funcioacuten de la velocidad del vehiculo
Figura 11 Esfuerzos en la subrasante con el paso de una llanta de vehiacuteculo
Para tratar de simular en laboratorio este tipo de solicitacioacuten se practican
ensayos triaxiales sobre una muestra de suelo aplicando diversas
presiones de confinamiento y pulsos de carga axiales que ejemplifican la
carga de la llanta
983126983137983154983145983137983139983145983283983150 983140983141983148 983141983155983142983157983141983154983162983151 983141983150 983141983148 983155983157983141983148983151 983139983151983150 983141983148 983152983137983155983151 983140983141 983157983150 983158983141983144983277983139983157983148983151
983109 983155 983142 983157 983141 983154 983162 983151
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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unidades donde los materiales encontrados presenten caracteriacutesticas similares
La delimitacioacuten de las unidades homogeacuteneas de disentildeo se realiza con base en
las caracteriacutesticas geoteacutecnicas climaacutetica topograacuteficas y de drenaje
Figura 10 Ejemplo de zonas geoloacutegicas atravesadas por una carretera
a Delimitacioacuten de formaciones geoloacutegicas Una primera sectorizacioacuten se puede
realizar con base en el estudio de las formaciones geoloacutegicas que sean
identificadas en el trazado del proyecto vial Con base en un mapa en el que se
localicen las formaciones de suelos y el trazado de la viacutea se establecen las
abscisas de inicio y finalizacioacuten de una unidad de disentildeo
b Determinacioacuten del perfil geoteacutecnico de los suelos De manera mas precisa la
ejecucioacuten de perforaciones en el terreno permite identificar las cantidades y
extensiones de suelos existentes en la zona del proyecto la manera como
estos estaacuten dispuestos en capas y conocer profundidades de ubicacioacuten del
nivel freaacutetico El nuacutemero de perforaciones necesarias para conocer el perfil del
suelo se basa en la experiencia dependiendo de a uniformidad del suelo Un
menor nuacutemero de muestras o un mayor espaciamiento de las perforaciones
conlleva mayores riesgos en el disentildeo un nuacutemero muy grande de muestras
genera un elevado costo de la fase de disentildeo El espaciamiento de las
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perforaciones deberiacutea ser el menor posible y que permita mantener los costos
del disentildeo en liacutemites razonables
En viacuteas con altos voluacutemenes de traacutensito se deberiacutea reducir el riesgo de que la
estructura de pavimento quede cimentada en materiales que no fueronensayados durante la etapa de disentildeo En los sitios donde los materiales
tuviesen una menor capacidad de soporte que la de disentildeo el pavimento se
degradariacutea tempranamente y las reparaciones respectivas ocasionariacutean cierres
molestias y mayores costos de operacioacuten a un gran nuacutemero de usuarios de la
viacutea
La presencia de camiones con mayores cargas por eje altera los esfuerzos en
capas de suelos que se encuentran a mayor profundidad Para la ubicacioacuten
profundidad y definicioacuten del nuacutemero de perforaciones podriacutea adoptarse como
guiacutea
En proyectos de construccioacuten de viacuteas importantes un sondeo cada 250
metros obteniendo muestras de suelos hasta 15 metros de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
En proyectos viales de bajo volumen de traacutensito un sondeo cada 500
metros obteniendo muestras de suelos hasta 10 metro de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
Los datos que se deben tomar de cada una de las perforaciones realizadas
son el espesor de las capas encontradas y su posicioacuten exacta en sentido
vertical asiacute como la identificacioacuten visual de los materiales indicando su
color y consistencia Ademaacutes se debe registrar la posicioacuten del nivel freaacutetico
en caso de observar su presencia
Se debe tomar una muestra de las diferentes capas de suelo encontradas
en cada perforacioacuten realizada dichas muestras pueden ser alteradas o
inalteradas
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c Ensayos de laboratorio a las muestras obtenidas para determinar sus
propiedades generales en relacioacuten con la estabilidad y capacidad de
soporte de la subrasante Es necesario establecer las propiedades fiacutesicas
de cada uno de los suelos muestreados y tambieacuten conocer su
comportamiento bajo diversas condiciones por esta razoacuten se realizandiversas pruebas como
Determinacioacuten del contenido de humedad liacutemite plaacutestico y liacutemite liquido
El contenido de humedad de un suelo puede indicar posibles
comportamientos del mismo al ser utilizados como subrasante pues si el
contenido de agua esta cerca del liacutemite liacutequido es probable que el suelo
sea da baja capacidad portante y si el contenido de agua por el
contrario es cercano al liacutemite plaacutestico este tipo de suelo podriacutea
presentar una mayor resistencia mecaacutenica
Anaacutelisis de granulometriacutea Los resultados de esta prueba permiten
clasificar el suelo el cual puede pertenecer a alguno de los siguientes
grupos o ser una combinacioacuten de los mismos
bull Grava Estos aacuteridos son partiacuteculas granulares de material peacutetreo de
tamantildeo que se origina por fragmentacioacuten de las distintas rocas de la
corteza terrestre ya sea en forma natural o artificial Como subrasante
de un pavimento es muy estable ofrece una alta capacidad portante y
permitiriacutea construir una estructura de menor espesor
bull Arena Son partiacuteculas de tamantildeo medio con menor capacidad de
soporte que las gravas pero superior a la de los suelos finos como
arcillas y limos
bull Limo Los limos son fracciones microscoacutepicas del suelo de tamantildeo
intermedio entre la arcilla y la arena Su capacidad de soporte variacutea
de baja a media
8202019 Generalidades de pavimentos
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bull Arcilla Las arcillas son principalmente partiacuteculas submicroscoacutepicas
en forma de escamas las cuales presentan muy poco espacio entre
si La arcilla tiene la habilidad de retener el agua Se caracteriza por
un pobre drenaje y baja capacidad portante
Determinacioacuten de densidad de campo y grado de compactacioacuten del
suelo Alta densidad de los suelos se relaciona con alta resistencia
d Determinacioacuten del suelo tiacutepico de subrasante para una unidad de disentildeo
despueacutes de determinar las propiedades de las diferentes capas de suelo
como son granulometriacutea el limite liquido y limite plaacutestico se procede a
dibujar un perfil del suelo el cual permite identificar las caracteriacutesticas
propias del terreno donde se va a ejecutar la obra y delimitar las zonas que
se van a considerar homogeacuteneas
212 Fase de seleccioacuten de la resistencia o capacidad de soporte para
disentildeo Los suelos de subrasante normalmente no alcanzan la falla por
esfuerzo cortante pero los pavimentos fallan por deformaciones y fisuras Las
deformaciones se acumulan y se hacen notorias despueacutes del paso de muchas
repeticiones de carga y las fisuras aparecen en los materiales tratados con
ligantes debido a la fatiga por la aplicacioacuten reiterada de cargas
En la caracterizacioacuten mecaacutenica de un suelo de subrasante es maacutes importante
establecer las relaciones esfuerzo-deformacioacuten ante un gran nuacutemero de
solicitaciones de carga que la capacidad uacuteltima de los materiales bajo una
carga de mayor magnitud
Modulo resiliente
El paraacutemetro mas empleado para definir la capacidad de soporte de una
subrasante es el moacutedulo resiliente paraacutemetro similar al moacutedulo elaacutestico de un
material pero en el cual las deformaciones que se emplean solamente incluyen
la componente recuperable de las mismas
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cuperableaxialn Deformacioacute
axial Esfuerzo Mr siliente Moacutedulo
Re)(Re =
bull El moacutedulo resiliente proporciona la relacioacuten baacutesica entre esfuerzo y
deformacioacuten de los materiales y es un paraacutemetro usado en el anaacutelisisestructural de sistemas estratificados Este ensayo se realiza teniendo en
cuenta diversas condiciones ambientales y de estado de esfuerzos las
cuales simulan las cargas de traacutensito a las que se someteraacute la estructura
Una rueda que se mueve imparte un pulso dinaacutemico a todas las capas
de pavimento y a la subrasante Como respuesta a este pulso dinaacutemico
cada capa de pavimento sufre una deflexioacuten El pulso solicitante variacutea
desde un valor muy bajo hasta un maacuteximo en un breve periodo en
funcioacuten de la velocidad del vehiculo
Figura 11 Esfuerzos en la subrasante con el paso de una llanta de vehiacuteculo
Para tratar de simular en laboratorio este tipo de solicitacioacuten se practican
ensayos triaxiales sobre una muestra de suelo aplicando diversas
presiones de confinamiento y pulsos de carga axiales que ejemplifican la
carga de la llanta
983126983137983154983145983137983139983145983283983150 983140983141983148 983141983155983142983157983141983154983162983151 983141983150 983141983148 983155983157983141983148983151 983139983151983150 983141983148 983152983137983155983151 983140983141 983157983150 983158983141983144983277983139983157983148983151
983109 983155 983142 983157 983141 983154 983162 983151
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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perforaciones deberiacutea ser el menor posible y que permita mantener los costos
del disentildeo en liacutemites razonables
En viacuteas con altos voluacutemenes de traacutensito se deberiacutea reducir el riesgo de que la
estructura de pavimento quede cimentada en materiales que no fueronensayados durante la etapa de disentildeo En los sitios donde los materiales
tuviesen una menor capacidad de soporte que la de disentildeo el pavimento se
degradariacutea tempranamente y las reparaciones respectivas ocasionariacutean cierres
molestias y mayores costos de operacioacuten a un gran nuacutemero de usuarios de la
viacutea
La presencia de camiones con mayores cargas por eje altera los esfuerzos en
capas de suelos que se encuentran a mayor profundidad Para la ubicacioacuten
profundidad y definicioacuten del nuacutemero de perforaciones podriacutea adoptarse como
guiacutea
En proyectos de construccioacuten de viacuteas importantes un sondeo cada 250
metros obteniendo muestras de suelos hasta 15 metros de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
En proyectos viales de bajo volumen de traacutensito un sondeo cada 500
metros obteniendo muestras de suelos hasta 10 metro de profundidad
por debajo del nivel de subrasante de la viacutea
Los datos que se deben tomar de cada una de las perforaciones realizadas
son el espesor de las capas encontradas y su posicioacuten exacta en sentido
vertical asiacute como la identificacioacuten visual de los materiales indicando su
color y consistencia Ademaacutes se debe registrar la posicioacuten del nivel freaacutetico
en caso de observar su presencia
Se debe tomar una muestra de las diferentes capas de suelo encontradas
en cada perforacioacuten realizada dichas muestras pueden ser alteradas o
inalteradas
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c Ensayos de laboratorio a las muestras obtenidas para determinar sus
propiedades generales en relacioacuten con la estabilidad y capacidad de
soporte de la subrasante Es necesario establecer las propiedades fiacutesicas
de cada uno de los suelos muestreados y tambieacuten conocer su
comportamiento bajo diversas condiciones por esta razoacuten se realizandiversas pruebas como
Determinacioacuten del contenido de humedad liacutemite plaacutestico y liacutemite liquido
El contenido de humedad de un suelo puede indicar posibles
comportamientos del mismo al ser utilizados como subrasante pues si el
contenido de agua esta cerca del liacutemite liacutequido es probable que el suelo
sea da baja capacidad portante y si el contenido de agua por el
contrario es cercano al liacutemite plaacutestico este tipo de suelo podriacutea
presentar una mayor resistencia mecaacutenica
Anaacutelisis de granulometriacutea Los resultados de esta prueba permiten
clasificar el suelo el cual puede pertenecer a alguno de los siguientes
grupos o ser una combinacioacuten de los mismos
bull Grava Estos aacuteridos son partiacuteculas granulares de material peacutetreo de
tamantildeo que se origina por fragmentacioacuten de las distintas rocas de la
corteza terrestre ya sea en forma natural o artificial Como subrasante
de un pavimento es muy estable ofrece una alta capacidad portante y
permitiriacutea construir una estructura de menor espesor
bull Arena Son partiacuteculas de tamantildeo medio con menor capacidad de
soporte que las gravas pero superior a la de los suelos finos como
arcillas y limos
bull Limo Los limos son fracciones microscoacutepicas del suelo de tamantildeo
intermedio entre la arcilla y la arena Su capacidad de soporte variacutea
de baja a media
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bull Arcilla Las arcillas son principalmente partiacuteculas submicroscoacutepicas
en forma de escamas las cuales presentan muy poco espacio entre
si La arcilla tiene la habilidad de retener el agua Se caracteriza por
un pobre drenaje y baja capacidad portante
Determinacioacuten de densidad de campo y grado de compactacioacuten del
suelo Alta densidad de los suelos se relaciona con alta resistencia
d Determinacioacuten del suelo tiacutepico de subrasante para una unidad de disentildeo
despueacutes de determinar las propiedades de las diferentes capas de suelo
como son granulometriacutea el limite liquido y limite plaacutestico se procede a
dibujar un perfil del suelo el cual permite identificar las caracteriacutesticas
propias del terreno donde se va a ejecutar la obra y delimitar las zonas que
se van a considerar homogeacuteneas
212 Fase de seleccioacuten de la resistencia o capacidad de soporte para
disentildeo Los suelos de subrasante normalmente no alcanzan la falla por
esfuerzo cortante pero los pavimentos fallan por deformaciones y fisuras Las
deformaciones se acumulan y se hacen notorias despueacutes del paso de muchas
repeticiones de carga y las fisuras aparecen en los materiales tratados con
ligantes debido a la fatiga por la aplicacioacuten reiterada de cargas
En la caracterizacioacuten mecaacutenica de un suelo de subrasante es maacutes importante
establecer las relaciones esfuerzo-deformacioacuten ante un gran nuacutemero de
solicitaciones de carga que la capacidad uacuteltima de los materiales bajo una
carga de mayor magnitud
Modulo resiliente
El paraacutemetro mas empleado para definir la capacidad de soporte de una
subrasante es el moacutedulo resiliente paraacutemetro similar al moacutedulo elaacutestico de un
material pero en el cual las deformaciones que se emplean solamente incluyen
la componente recuperable de las mismas
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cuperableaxialn Deformacioacute
axial Esfuerzo Mr siliente Moacutedulo
Re)(Re =
bull El moacutedulo resiliente proporciona la relacioacuten baacutesica entre esfuerzo y
deformacioacuten de los materiales y es un paraacutemetro usado en el anaacutelisisestructural de sistemas estratificados Este ensayo se realiza teniendo en
cuenta diversas condiciones ambientales y de estado de esfuerzos las
cuales simulan las cargas de traacutensito a las que se someteraacute la estructura
Una rueda que se mueve imparte un pulso dinaacutemico a todas las capas
de pavimento y a la subrasante Como respuesta a este pulso dinaacutemico
cada capa de pavimento sufre una deflexioacuten El pulso solicitante variacutea
desde un valor muy bajo hasta un maacuteximo en un breve periodo en
funcioacuten de la velocidad del vehiculo
Figura 11 Esfuerzos en la subrasante con el paso de una llanta de vehiacuteculo
Para tratar de simular en laboratorio este tipo de solicitacioacuten se practican
ensayos triaxiales sobre una muestra de suelo aplicando diversas
presiones de confinamiento y pulsos de carga axiales que ejemplifican la
carga de la llanta
983126983137983154983145983137983139983145983283983150 983140983141983148 983141983155983142983157983141983154983162983151 983141983150 983141983148 983155983157983141983148983151 983139983151983150 983141983148 983152983137983155983151 983140983141 983157983150 983158983141983144983277983139983157983148983151
983109 983155 983142 983157 983141 983154 983162 983151
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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c Ensayos de laboratorio a las muestras obtenidas para determinar sus
propiedades generales en relacioacuten con la estabilidad y capacidad de
soporte de la subrasante Es necesario establecer las propiedades fiacutesicas
de cada uno de los suelos muestreados y tambieacuten conocer su
comportamiento bajo diversas condiciones por esta razoacuten se realizandiversas pruebas como
Determinacioacuten del contenido de humedad liacutemite plaacutestico y liacutemite liquido
El contenido de humedad de un suelo puede indicar posibles
comportamientos del mismo al ser utilizados como subrasante pues si el
contenido de agua esta cerca del liacutemite liacutequido es probable que el suelo
sea da baja capacidad portante y si el contenido de agua por el
contrario es cercano al liacutemite plaacutestico este tipo de suelo podriacutea
presentar una mayor resistencia mecaacutenica
Anaacutelisis de granulometriacutea Los resultados de esta prueba permiten
clasificar el suelo el cual puede pertenecer a alguno de los siguientes
grupos o ser una combinacioacuten de los mismos
bull Grava Estos aacuteridos son partiacuteculas granulares de material peacutetreo de
tamantildeo que se origina por fragmentacioacuten de las distintas rocas de la
corteza terrestre ya sea en forma natural o artificial Como subrasante
de un pavimento es muy estable ofrece una alta capacidad portante y
permitiriacutea construir una estructura de menor espesor
bull Arena Son partiacuteculas de tamantildeo medio con menor capacidad de
soporte que las gravas pero superior a la de los suelos finos como
arcillas y limos
bull Limo Los limos son fracciones microscoacutepicas del suelo de tamantildeo
intermedio entre la arcilla y la arena Su capacidad de soporte variacutea
de baja a media
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bull Arcilla Las arcillas son principalmente partiacuteculas submicroscoacutepicas
en forma de escamas las cuales presentan muy poco espacio entre
si La arcilla tiene la habilidad de retener el agua Se caracteriza por
un pobre drenaje y baja capacidad portante
Determinacioacuten de densidad de campo y grado de compactacioacuten del
suelo Alta densidad de los suelos se relaciona con alta resistencia
d Determinacioacuten del suelo tiacutepico de subrasante para una unidad de disentildeo
despueacutes de determinar las propiedades de las diferentes capas de suelo
como son granulometriacutea el limite liquido y limite plaacutestico se procede a
dibujar un perfil del suelo el cual permite identificar las caracteriacutesticas
propias del terreno donde se va a ejecutar la obra y delimitar las zonas que
se van a considerar homogeacuteneas
212 Fase de seleccioacuten de la resistencia o capacidad de soporte para
disentildeo Los suelos de subrasante normalmente no alcanzan la falla por
esfuerzo cortante pero los pavimentos fallan por deformaciones y fisuras Las
deformaciones se acumulan y se hacen notorias despueacutes del paso de muchas
repeticiones de carga y las fisuras aparecen en los materiales tratados con
ligantes debido a la fatiga por la aplicacioacuten reiterada de cargas
En la caracterizacioacuten mecaacutenica de un suelo de subrasante es maacutes importante
establecer las relaciones esfuerzo-deformacioacuten ante un gran nuacutemero de
solicitaciones de carga que la capacidad uacuteltima de los materiales bajo una
carga de mayor magnitud
Modulo resiliente
El paraacutemetro mas empleado para definir la capacidad de soporte de una
subrasante es el moacutedulo resiliente paraacutemetro similar al moacutedulo elaacutestico de un
material pero en el cual las deformaciones que se emplean solamente incluyen
la componente recuperable de las mismas
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cuperableaxialn Deformacioacute
axial Esfuerzo Mr siliente Moacutedulo
Re)(Re =
bull El moacutedulo resiliente proporciona la relacioacuten baacutesica entre esfuerzo y
deformacioacuten de los materiales y es un paraacutemetro usado en el anaacutelisisestructural de sistemas estratificados Este ensayo se realiza teniendo en
cuenta diversas condiciones ambientales y de estado de esfuerzos las
cuales simulan las cargas de traacutensito a las que se someteraacute la estructura
Una rueda que se mueve imparte un pulso dinaacutemico a todas las capas
de pavimento y a la subrasante Como respuesta a este pulso dinaacutemico
cada capa de pavimento sufre una deflexioacuten El pulso solicitante variacutea
desde un valor muy bajo hasta un maacuteximo en un breve periodo en
funcioacuten de la velocidad del vehiculo
Figura 11 Esfuerzos en la subrasante con el paso de una llanta de vehiacuteculo
Para tratar de simular en laboratorio este tipo de solicitacioacuten se practican
ensayos triaxiales sobre una muestra de suelo aplicando diversas
presiones de confinamiento y pulsos de carga axiales que ejemplifican la
carga de la llanta
983126983137983154983145983137983139983145983283983150 983140983141983148 983141983155983142983157983141983154983162983151 983141983150 983141983148 983155983157983141983148983151 983139983151983150 983141983148 983152983137983155983151 983140983141 983157983150 983158983141983144983277983139983157983148983151
983109 983155 983142 983157 983141 983154 983162 983151
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
8202019 Generalidades de pavimentos
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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bull Arcilla Las arcillas son principalmente partiacuteculas submicroscoacutepicas
en forma de escamas las cuales presentan muy poco espacio entre
si La arcilla tiene la habilidad de retener el agua Se caracteriza por
un pobre drenaje y baja capacidad portante
Determinacioacuten de densidad de campo y grado de compactacioacuten del
suelo Alta densidad de los suelos se relaciona con alta resistencia
d Determinacioacuten del suelo tiacutepico de subrasante para una unidad de disentildeo
despueacutes de determinar las propiedades de las diferentes capas de suelo
como son granulometriacutea el limite liquido y limite plaacutestico se procede a
dibujar un perfil del suelo el cual permite identificar las caracteriacutesticas
propias del terreno donde se va a ejecutar la obra y delimitar las zonas que
se van a considerar homogeacuteneas
212 Fase de seleccioacuten de la resistencia o capacidad de soporte para
disentildeo Los suelos de subrasante normalmente no alcanzan la falla por
esfuerzo cortante pero los pavimentos fallan por deformaciones y fisuras Las
deformaciones se acumulan y se hacen notorias despueacutes del paso de muchas
repeticiones de carga y las fisuras aparecen en los materiales tratados con
ligantes debido a la fatiga por la aplicacioacuten reiterada de cargas
En la caracterizacioacuten mecaacutenica de un suelo de subrasante es maacutes importante
establecer las relaciones esfuerzo-deformacioacuten ante un gran nuacutemero de
solicitaciones de carga que la capacidad uacuteltima de los materiales bajo una
carga de mayor magnitud
Modulo resiliente
El paraacutemetro mas empleado para definir la capacidad de soporte de una
subrasante es el moacutedulo resiliente paraacutemetro similar al moacutedulo elaacutestico de un
material pero en el cual las deformaciones que se emplean solamente incluyen
la componente recuperable de las mismas
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cuperableaxialn Deformacioacute
axial Esfuerzo Mr siliente Moacutedulo
Re)(Re =
bull El moacutedulo resiliente proporciona la relacioacuten baacutesica entre esfuerzo y
deformacioacuten de los materiales y es un paraacutemetro usado en el anaacutelisisestructural de sistemas estratificados Este ensayo se realiza teniendo en
cuenta diversas condiciones ambientales y de estado de esfuerzos las
cuales simulan las cargas de traacutensito a las que se someteraacute la estructura
Una rueda que se mueve imparte un pulso dinaacutemico a todas las capas
de pavimento y a la subrasante Como respuesta a este pulso dinaacutemico
cada capa de pavimento sufre una deflexioacuten El pulso solicitante variacutea
desde un valor muy bajo hasta un maacuteximo en un breve periodo en
funcioacuten de la velocidad del vehiculo
Figura 11 Esfuerzos en la subrasante con el paso de una llanta de vehiacuteculo
Para tratar de simular en laboratorio este tipo de solicitacioacuten se practican
ensayos triaxiales sobre una muestra de suelo aplicando diversas
presiones de confinamiento y pulsos de carga axiales que ejemplifican la
carga de la llanta
983126983137983154983145983137983139983145983283983150 983140983141983148 983141983155983142983157983141983154983162983151 983141983150 983141983148 983155983157983141983148983151 983139983151983150 983141983148 983152983137983155983151 983140983141 983157983150 983158983141983144983277983139983157983148983151
983109 983155 983142 983157 983141 983154 983162 983151
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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cuperableaxialn Deformacioacute
axial Esfuerzo Mr siliente Moacutedulo
Re)(Re =
bull El moacutedulo resiliente proporciona la relacioacuten baacutesica entre esfuerzo y
deformacioacuten de los materiales y es un paraacutemetro usado en el anaacutelisisestructural de sistemas estratificados Este ensayo se realiza teniendo en
cuenta diversas condiciones ambientales y de estado de esfuerzos las
cuales simulan las cargas de traacutensito a las que se someteraacute la estructura
Una rueda que se mueve imparte un pulso dinaacutemico a todas las capas
de pavimento y a la subrasante Como respuesta a este pulso dinaacutemico
cada capa de pavimento sufre una deflexioacuten El pulso solicitante variacutea
desde un valor muy bajo hasta un maacuteximo en un breve periodo en
funcioacuten de la velocidad del vehiculo
Figura 11 Esfuerzos en la subrasante con el paso de una llanta de vehiacuteculo
Para tratar de simular en laboratorio este tipo de solicitacioacuten se practican
ensayos triaxiales sobre una muestra de suelo aplicando diversas
presiones de confinamiento y pulsos de carga axiales que ejemplifican la
carga de la llanta
983126983137983154983145983137983139983145983283983150 983140983141983148 983141983155983142983157983141983154983162983151 983141983150 983141983148 983155983157983141983148983151 983139983151983150 983141983148 983152983137983155983151 983140983141 983157983150 983158983141983144983277983139983157983148983151
983109 983155 983142 983157 983141 983154 983162 983151
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
8202019 Generalidades de pavimentos
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
8202019 Generalidades de pavimentos
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
8202019 Generalidades de pavimentos
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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Figura 12 Maacutequina usada para el ensayo triaxial
Este no es un ensayo a rotura y muestra el comportamiento del material
bajo cargas repetidas A medida que el material esta sujeto a la accioacuten
de la carga se deforma y recupera cuando se retira la carga sin
embargo el material nunca se recupera a su forma original y alguna
deformacioacuten permanece La deformacioacuten recuperable es la deformacioacuten
resiliente y la deformacioacuten que permanece se denomina plaacutestica la cual
bajo carga moacutevil y repetida tiende a hacerse acumulativa y puede llegar
a alcanzar valores inadmisibles La magnitud relativa de lasdeformaciones plaacutestica y resiliente influencian el comportamiento del
material
En la Figura 13 se ilustra el mecanismo por el cual la deformacioacuten
permanente se va acumulando debe hacerse notar el hecho de que en
los ciclos intermedios la deformacioacuten permanente disminuye hasta que
praacutecticamente desaparece en los ciclos finales
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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Figura 13 Mecanismo de deformacioacuten permanente en los pavimentos
La muestra de suelo llega asiacute a un estado tal en que toda la deformacioacuten
es recuperable en ese momento se tiene un comportamiento resiliente
(en donde el moacutedulo secante es igual al moacutedulo resiliente)
Por tratarse de una propiedad de difiacutecil determinacioacuten en laboratorio y auacuten mas
difiacutecil en su anaacutelisis se suele aceptar la caracterizacioacuten del suelo con ensayos
menos apropiados pero de mas faacutecil ejecucioacuten como el CBR y el ensayo de
placa
bull Ensayo de CBR (California Bearing Ratio) (AASHTO-T193-63) La
relacioacuten de soporte de California (CBR) es una medida de la resistencia
al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y
densidad controladas este paraacutemetro es aplicado principalmente en el
disentildeo de pavimentos flexibles y en el control de calidad de materiales
empleados en la construccioacuten de carreteras
Se realiza aplicando una carga sobre la superficie del suelo con un
pistoacuten circular de 195 plg de diaacutemetro (aacuterea de seccioacuten transversal 3
plg2) y se hace penetrar en el terreno a una velocidad de 005 pulgadas
por minuto
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
8202019 Generalidades de pavimentos
httpslidepdfcomreaderfullgeneralidades-de-pavimentos 2325
rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
8202019 Generalidades de pavimentos
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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Figura 14 Esquema de ensayo de CBR
El nuacutemero CBR se obtiene como la relacioacuten entre la presioacuten necesaria
para lograr una cierta profundidad de penetracioacuten del pistoacuten dentro de la
muestra de suelo y la presioacuten requerida para obtener la misma
profundidad de penetracioacuten en una muestra estaacutendar esto se expresa
100patroacutenunitariaCarga
ensayo de unitaria Carga=CBR Ecuacioacuten (1)
El los valores de carga unitaria de la muestra patroacuten se indican en la
tabla 1
Penetracioacuten Carga unitaria patroacuten
mm Pulg Mpa kgcm2 psi
254 01 690 7031 1000
508 02 1035 10546 1500
Tabla 1 Valores de Carga Unitaria
Fuente Instituto Nacional de Viacuteas (INVIAS) antildeo 2007
Carga sobre el pistoacuten
Penetracioacuten del pistoacuten
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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bull Ensayo de carga directa sobre placa (AASHTO D1195 y D1196) Con
esta prueba se evaluacutea la capacidad portante de la subrasante de las
bases y en ocasiones de los pavimentos completos Aunque esta prueba
generalmente se usaba en pavimentos riacutegidos actualmente tambieacuten se
usa en los flexibles El ensayo se hace cargando una placa circular en
contacto estrecho con el suelo midiendo las deformaciones finales
correspondiente a los distintitos incrementos de carga utilizados Con
esta prueba se puede obtener el modulo de reaccioacuten de una subrasante
que son las presiones necesarias que se transmitiraacuten a la placa para
producir en el suelo una deformacioacuten prefijada
Figura 15 Ensayo de prueba de placa
Esta prueba tambieacuten se realiza con carga de impacto y permite establecer el
valor medio del moacutedulo resiliente del suelo (norma de ensayo NF P 94-117-2 )
Figura 16 Equipo para ensayo de placa con carga estaacutetica y de impacto o dynaplaca
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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Medida y seleccioacuten del valor de resistencia de un suelo tiacutepico de
subrasante y de una unidad de disentildeo Debido a que la base fundamental
para caracterizar debidamente los materiales de la subrasante depende de
la obtencioacuten del modulo resiliente se recomienda que al suelo de
subrasante que predomine en el lugar se le efectuacuteen pruebas de laboratoriopara determinar su moacutedulo resiliente sobre muestras que representen las
condiciones de tensioacuten densidad y humedad de la subrasante en los
diferentes periodos climaacuteticos que se puedan presentar
Algunas metodologiacuteas se han considerado para elegir el moacutedulo resiliente
de una muestra La AASHTO en su manual de 1993 sugiere tomar los
valores de moacutedulo resiliente obtenidos para cada eacutepoca del antildeo y
determinar el valor de dantildeo relativo Uf (figura 17 o ecuacioacuten 2)
posteriormente se determina el dantildeo relativo medio anual para lo cual se
suman todos los valores de Uf y se dividen en el nuacutemero total de meses
tomados en cuenta como se muestra en la ecuacioacuten 3 Finalmente el
modulo de la subrasante es el correspondiente al valor de Uf promedio
ponderado
3228 )(10181 minus
=
R f
M xU Ecuacioacuten (2)
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
Ecuacioacuten (3)
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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Figura 17 Moacutedulo efectivo de Resiliencia de la subrasante para pavimentos flexibles en
funcioacuten del criterio de serviciabilidad
Ejemplo resuelto
Determinar el MR efectivo para una zona en la cual se hizo el anaacutelisis mes a
mes del MR de la subrasante y se obtuvo la siguiente informacioacuten
Meses Modulo resiliente de lasubrasante MR (Psi)
Dantildeo RelativoUf
Enero 15000 00241741
Febrero 13000 00336925
Marzo 4000 05189229
Abril 7000 01416624
Mayo 7000 01416624
Junio 5000 03092229
Julio 5000 03092229Agosto 5000 03092229
Septiembre 5000 03092229
Octubre 5000 03092229
Noviembre 4000 05189229
Diciembre 15000 00241741
Uf= 29493256
Uf prom= 02457771
Solucioacuten
rarr El dantildeo relativo de cada mes se calcula por medio de la ecuacioacuten 6 o la
grafica 15 y se adjunta en la columna 3 de la anterior tabla
02417410)15000(10181)(10181 83228===
minus x M xU R f
983117983283983140983157983148983151 983154983141983155983145983148983145983141983150983156983141 983141983150 983147983155983145
983107983151983141983142983145983139983145983141983150983156983141 983140983141 983140983137983281983151 983154983141983148983137983156983145983158983151 983125983142983101 983089983086983089983096 983160 983089983088983096 983117983154
983085983090983086983091983090
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
Valor del Percentil ()10 o menos 600
Ente 10 y 10 750
10 o mas 875
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rarr Con el nivel de traacutensito de disentildeo se selecciona un valor de percentil para
el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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rarr Posteriormente se suman estos valores y se calcula el promedio usando
la ecuacioacuten 7
n
U U
f f
sum== relativodantildeodePromedio
__
245777710
12024174100336925002447410
__
__
=
+++
=
f
f
U
U
rarr Luego por medio de la ecuacioacuten 6 con el valor promedio de dantildeo relativo
calculado en el paso anterior se calcula el MR efectivo del sector
3228)(10181 minus
= R f M xU
3228 )(10181245777710 minus
= R M x Despejando MR se tiene
Respuesta el modulo resiliente de la muestra es MR= 5520 Psi
Como en la unidad de disentildeo se pueden presentar diversos valores de moacutedulo
resiliente (uno para cada muestra) es necesario seleccionar un valor
caracteriacutestico de la unidad por medio de alguno de los meacutetodos que se
mencionan a continuacioacuten
Para dimensionar pavimentos por meacutetodos sugeridos por AASHTO el
caacutelculo del moacutedulo resiliente de una unidad de disentildeo se obtiene al calcular
el promedio de los valores de moacutedulos establecidos para cada muestra del
suelo tiacutepico Posteriormente en el dimensionamiento de la estructura el
meacutetodo sugiere tomar en cuenta la desviacioacuten estaacutendar de capacidad de los
materiales para asegurar un nivel de confiabilidad en el disentildeo
Otra manera de seleccionar el valor de modulo resiliente de disentildeo consiste
en elegir un valor de capacidad que sea superado por un importante
nuacutemero de las muestras de la unidad de disentildeo Por ejemplo para elegir el
valor de disentildeo en el meacutetodo del Instituto del Asfalto se define el valor que
es menor o igual al 60 75 u 875 por ciento de los valores obtenidos en las
diferentes muestras
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
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el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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Tabla 2 Moacutedulo resiliente de disentildeo para subrasante
Ejemplo resuelto
Determinar el modulo resiliente de una unidad de disentildeo para un nivel de
transito de 106 si se tienen los siguientes valores del moacutedulo resiliente para
una zona considerada homogeacutenea (6000 12000 15000 13500 7500 18000
psi)
Solucioacuten
rarr Se ordenan los valores de modulo resiliente y se calcula el percentil para
cada uno de ellos
Valores obtenidosmediante pruebas
Numero igualo superior
Percentil igualo superior
18000 1 167
15000 2 333
13500 3 500
12000 4 667
7500 5 833
6000 6 1000
rarr Se grafican los valores de modulo resiliente y los percentiles obtenido en
el paso anterior
Nivel de carga de
traacutensito en la viacutea
Modulo resiliente de disentildeo
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el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi
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el modulo resiliente de disentildeo en este caso es de 75
rarr Con este valor de percentil en la graacutefica se determina el valor del Moacutedulo
Resiliente de disentildeo MR=10000 psi