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Ing. Augusto Alza VilelaGerente Técnico Corporativo Grupo TDM
Past-President, IGS Perú
Uso de Geosintéticos enPavimentos
Congreso Nacional de Carreteras
Lima, 10 de Julio 2019
• Muy resistente
• Durable
• Impermeable
• Fabricado
• Muy caro
• Resistente
• Drenante
• Procesado
• Caro
• Resistencia moderada
• Drenante
• Material natural
• Económico
• Pobre
• Sensible a la humedad
• Suelo natural
Sección de un Pavimento Convencional
Fuente: Christopher et al. (2006)
Geosintéticos en Pavimentos
• Geotextiles
– Tejidos o no tejidos
– PP, PET
• Geomallas
– Uniaxial, biaxial, traxial
– HDPE, PP, PET, PVA
• Geoceldas
• Geocompuestos de drenaje
• Productos de Control de ErosionFuente: Geosynthetic Institute (GSI)
SOBRECAPA ASFALTICA
PAVIMENTO ORIGINAL
BASE
SUBBASE
SUBRASANTE
Funciones de Geosintéticos enPavimentos
Fuente: Zornberg (2017)
BASE
Separación
Refuerzo
Filtración
Barrera
Drenaje
SOBRECAPA ASFALTICA
PAVIMENTO ORIGINAL
SUBBASE
SUBRASANTE
Rigidización
Fuente: Zornberg (2017)
Funciones de Geosintéticos enPavimentos
Geosintéticos en PavimentosFunciones:1. Separación2. Filtración3. Refuerzo4. Rigidización5. Barrera
hidráulica6. Drenaje
Applications:1. Reducción de mezcla
entre capas2. Estabilización de
Subrasantes3. Estabilización de
Bases4. Mitigación de daños
ambientales5. Reducción de
humedad6. Retardo de la
reflexión de grietas
SOBRECAPA ASFALTICA
PAVIMENTO ORIGINAL
1. Reducción de mezcla entre capas: Funciones de GS
Fuente: Zornberg (2017)
BASE
SUBBASE
SUBRASANTE
Separación
Filtración
Los mecanismos identificados incluyen:• Bombeo de los finos de la subrasante:
– Los finos migran de la subrasante hacia los vacíos de la base
– La migración se da por las presiones de porosgeneradas en la subrasante
• Intrusión del agregado de base:– Penetración de partículas de agregado de la base en
la subrasante– Inducida por el mecanismo de falla local de
capacidad de carga
Reducción de mezcla entre capas:Mecanismos
Separación
Fuente: Koerner (2012)
Mecanismo de bombeo de finos hacia los vacíos del agregado de la base,
y su minimización usando un geotextil
Mecanismo de intrusion del agregado de base dentro del suelo de
subrasante, y su minimización usando un geotextil
Capa asfáltica
Geosintético
Base
Subrasante
Bombeo de
finos
Intrusión de
agregado
Reducción de mezcla entre capas
Sin separador Con separador
Fuente: Zornberg (2017)
SOBRECAPA ASFALTICA
PAVIMENTO ORIGINAL
BASE
SUBBASE
SUBRASANTE
2. Estabilización de Subrasantes: Funciones de GS
Rigidización
Refuerzo
Separación
Rigidización
Filtración
Estabilización de Subrasantes:Mecanismos
Los mecanismos identificados incluyen:• Efecto Membrana:
– Requiere deformación significativa en la subrasante– Provee una pequeña contribución a la estabilización
• Restricción Vertical en la subrasante:– Existe un incremento en el confinamiento vertical
provisto por el geosintético– Provee una contribución relevante en la
estabilización
Base
Subrasante
Falla por punzonamiento
Geosintetico en tension
Zona de distribución de esfuerzos
Geosintetico
Falla General
Soporte de carga
incrementado por el
Geosintetico
Confinamiento de
Subrasante
incrementado por el
Geosintetico
Estabilización de Subrasantes
Falla General
Subrasante no
estabilizada
Subrasante
estabilizada
Source: Zornberg (2017)
CARRETERA IQUITOS
NAUTA
(2003)
• Aplicable a suelos que tienen:
– CBR ≤ 3 (no sumergido) , o
– CBR ≤ 1 (sumergido)
• La solución de estabilización se define comola colocación de una capa de mejoramientodirectamente sobre el geosintético
• Existen metodologías de diseñoestablecidas
• El enfoque está en la reducción del espesorde la capa de mejoramiento
Estabilización de Subrasantes
CARRETERA IQUITOS
NAUTA
Construcción 2004-2005
Geomalla sobre subrasante blanda y capa de sub-base de arena
(a) Caso sin geosintético
• Espesor sin geosintético:
𝑐 =𝑃
2𝜋 𝑃/𝑝𝑐 + 2ℎ𝑜 tan 𝛼𝑜 𝑃/2𝑝𝑐 + 2ℎ𝑜 tan 𝛼𝑜
• Espesor con geosintético:
𝜋 + 2 𝑐 =𝑃
2 𝐵 + 2ℎ tan𝛼 𝐿 + 2ℎ tan 𝛼+
𝐸𝜀
𝑎 1 + 𝑎/2𝑆 2 1/2Fuente: Giroud and
Noiray (1981)
(b) Caso con geosintético
Estabilización de Subrasantes
Giroud&Han (2004)
➢ Basado en la teoría de capacidad de soporte,
modificada por la inclusión del geosintético• El Geosintético permite desarrollar la capacidad
última de soporte del suelo (límite plástico) contra el
límite elástico sin geosintético
➢ Caracterización del Refuerzo de Geomalla basada en su
capacidad de trabazón mecánica con la capa de base
Presión aplicada, p
d Deflexión
Sobrecarga Lateral, q Sobrecarga Lateral, q
Bajo condiciones no drenadas, la capacidad
última de soporte está dada por:
= +uult cN cp q
La sobrecarga, q, incrementa la capacidad de
soporte.
Giroud&Han (2004)
Fuente: Giroud and Han (2004)
Giroud&Han (2004)
d
p
SIN GEOSINTETICO
CON GEOSINTETICO
c uN c
+c uN c q
deflexión
aceptable
Esfuerzo
sobre la
subrasante
para
mantener
una deflexión
aceptable
Fuente: Giroud and Han (2004)
Ecuación Giroud&Han (2004)
ℎ =1 + 𝑘 log𝑁
tan𝛼0 ሻ1 + 0.204(𝑅𝐸 − 1
𝑃𝜋𝑟2
𝑠𝑓𝑠
1 − 𝜉 exp −𝜔𝑟ℎ
𝑛𝑁𝑐𝑐𝑢
− 1 𝑟
h = compacted base course thickness {m}
N = number of axle passes
k = constant dependent on base thickness and reinforcement
α0 = initial stress distribution angle = 38.5°
𝑅𝐸 = min𝐸𝑏𝑐𝐸𝑠𝑔
, 5.0 = min3.48𝐶𝐵𝑅𝑏𝑐
0.3
𝐶𝐵𝑅𝑠𝑔, 5.0
P = tire load {kN}
r = radius of equivalent tire contact area {m}
s = allowable rut depth {m}
fs = reference rut depth {m}
cu = subgrade undrained shear strength {kPa}
Nc = bearing capacity factor (5.71 for geogrid-reinforced roads)
ξ, ω, and n are constants calibrated by Giroud and Han (2004) using data from unpaved,
unreinforced roads (ξ = 0.9, ω = 1.0, and n = 2.0)
SOBRECAPA ASFALTICA
PAVIMENTO ORIGINAL
BASE
SUBBASE
SUBRASANTE
3. Estabilización de Base Granular: Funciones de GS
Rigidización
• Soporte por membrana tensionada
• Incremento de capacidad de soporte
• Restricción lateral
Los posibles mecanismos de refuerzo
provistos por los geosintéticos son:
Estabilización de Base Granular:Mecanismos
Fuente: Haliburton et al. (1981)
Soporte por membrana tensionada Incremento de capacidad de soporte
Restricción lateral
Estabilización de Base Granular:Mecanismos
Estabilización de Base Granular:
Beneficios
Los beneficios identificados incluyen:
• Minimización de la degradación del modulo de la base granular:– Control de los desplazamientos laterales de las
partículas de agregado de la base– Confinamiento a largo plazo del material de la base
granular
Geosintético Stress distribution
Restricción lateral
producida por el
geosintetico
Estabilización de Base Granular
Capa asfáltica
Base
Subrasante
Tendencia del agregado a
desplazarse lateralmente
Stress
distribution
Stress distribution
Base no estabilizada Base estabilizada
Fuente: Zornberg (2017)
CARRETERA IQUITOS NAUTA
Construcción 2004-2005
Geomalla de refuerzo de base granular y base de material chancado
CONDICIONDEL
PAVIMENTO
EXCELENTE
POBRE
Tráfico / Tiempo
CondiciónMínimaAceptable
DETERIORO
Tratamiento
aplicado
Predicción de la condición del pavimento
Los Pavimentos son diseñados por serviciabilidad!!
Diseño de PavimentosAASHTO
Ecuación de Diseño AASHTO 93
( ) ( )
( )
( ) 07.8log32.2
1
109440.0
5.15.4log
20.01log36.9log 10
19.5
10
101810 −+
++
−
+−++= RoR M
SN
PSI
SNSZW
Número Estructural
• W18 (carga)– Número de ESALs que define la vida del pavimento.
• SN (número estructural)– Número adimensional que expresa la resistencia estructural
– SN = a1D1 + a2D2m2 + a3D3m3 + …
• ΔPSI (cambio en el índice de serviciabilidad)– Cambio en el índice de serviciabilidad durante la vida del pavimento
– Típicamente de 1.5 a 3.0
• MR (módulo resiliente de la subrasante)– Típicamente de 3,000 a 30,000 psi (10,000 psi es moderadamente bueno)
Número Estructural SN
SN = a1D1 + a2D2m2 + a3D3m3 + …
a = coeficiente de capa
D = espesor de capa, en pulgadas
m = coeficiente de drenaje
Relación entre número estructural y las características de
las capas del pavimento:
Definición del Beneficio
• Traffic Benefit Ratio (TBR)
• Base Course Reduction (BCR)
Definición de TBR
Ratio entre tráficode diseño de loscasos reforzado y no reforzado para un espesor de base definido
U
R
N
NTBR =
W18 (reforzado) = TBR W18 (no reforzado)
Definición de TBR
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 20,000 40,000 60,000 80,000
Pases de tráfico
Ah
uellam
ien
to
TBR= 75,000/12,500 = 6
12,500 Pases 75,500 Pases
TBR= 4
Secciones reforzada y no reforzada de un pavimento con
las mismas propiedades y espesores de capas
No reforzada Reforzada
Definición de BCR
Reducción porcentualdel espesor de la base de un pavimentoreforzado respecto al no reforzado, para unamisma vida de diseño
SN = a1 D1 + a2 D2 / (1-BCR) m2 + ...
U
RU
D
DDBCR
−
−− −=
2
22D2-U
D2-R
La geomalla biaxial BX 1200 colocada
debajo de la base granular ha permitido los
siguientes beneficios:
1. Incrementa el módulo de la capa de base,
aproximadamente a 40,000 psi, al que
corresponde un coeficiente de capa de
0.17.
2. Esto permite la reducción del espesor y el
consiguiente ahorro en los costos del
pavimento.
CARRETERA IQUITOS
NAUTA
• Dada la lejanía de las fuentes de
agregados pétreos, el uso de la
geomalla BX1200, generó un ahorro
ascendente a un monto aproximado de
US$ 1´000,000.00, sólo en costo
directo (menor volumen de material) sin
considerar la disminución en el tiempo
de ejecución.
CARRETERA IQUITOS
NAUTA
MONITOREO DE TRAMO REFORZADO
CON GEOMALLA BIAXIAL BX1200
MARZO 2007
CARRETERA IQUITOS
NAUTA
• Los trabajos de campo se realizaron los
días 14 y 15 de marzo/2007.
CARRETERA IQUITOS
NAUTA
Deflexiones promedio y característica 26.9 y 14.6 % menores que las
determinadas al término de obra
Radios de curvatura mayores: 212 % promedio y 18.6 % crítico
Módulo resiliente (promedio) de la subrasante estimados en Marzo
2007 es 7600 psi y en Junio 2005 es 6600 psi
Resultados del monitoreo
La deflexión característica medida es menor que la deflexión admisible y el radio de curvatura crítico (95 percentil) mucho mayor de 80 m, por tanto el pavimento tendrá un buen comportamiento
Se estimó el valor del módulo de la base mediante retroanálisis,
obteniéndose que para un módulo de 45,000 psi el modelo se
ajusta para una deflexión de 94 x 10-2 mm y un radio de
curvatura de 95 m.
De no haberse colocado la geomalla BX 1200 de refuerzo, el módulo
de la base sería probablemente de 30,000 psi.
El espesor de pavimento hubiera tenido que ser mucho mayor.
Conclusiones del monitoreo
SOBRECAPA ASFALTICA
PAVIMENTO ORIGINAL
BASE
SUBBASE
SUBRASANTE
Rigidización
4. Mitigación de Daños Ambientales: Funciones de GS
Part of unit (generally less than 50%) consists of clay having high swelling potential
Part of unit (generally less than 50%) consists of clay having high swelling potential
Unit contains abundant clay having high swelling potential
Unit contains abundant clay having high swelling potential
Arcillas Expansivas
Fuente: USGS 1989
Mitigación de Daños Ambientales :Mecanismos
Loss mecanismos identificados incluyen:• Restricción lateral:
– Para mantener el confinamiento de la base– Para mantener homogeneidad en las propiedades
mecánicas de la base
• Adición de ductilidad de la capa base:– Para minimizar la concentración de esfuerzos que
inician las fisuras longitudinales– Para mantener la integridad de la capa base
Perfil Original de rasante
CL
Ubicación de grietaslongitudinales
Mitigación de Daños Ambientales(Pavimentos sobre Arcillas Expansivas)
Fuente: Zornberg and Gupta (2009)
Geomalla Sección 1: Sin grietas
longitudinales
Sección de Control: Grietas
Longitudinales
Geomalla Sección 2: Sin grietas
longitudinales
Efecto del Refuerzo Geosintético
Lección: El Refuerzo con Geomallas previno el
desarrollo de grietas longitudinales
FM 1915 (Milam County)
Fuente: Zornberg and Gupta (2009)
Estabilización de Bases sobre Subrasantes de Arcillas Expansivas
• Los Refuerzos Geosintéticos permiten minimizar losefectos dañinos de las subrasantes de suelosexpansivos en pavimentos flexibles.
• Pruebas de campo con 32 secciones de pruebademostraron el efecto benéfico de los geosintéticos.
• Comparadas con las secciones no reforzadas, el tratamiento con cal mitigó el ahuellamiento. Sin embargo, el tratamiento con cal de la subbase no mostró ningún beneficio en mitigar las grietaslongitudinales.
Investigación de Campo en desarrollo
• Estabilización Mecánica (refuerzogeosintético):
– Sección de Control (sin refuerzo)
– Geosintético 1
– Geosintético 2
– Geosintético 3
• Estabilización Química (cal):
– Sección de Control (sin cal)
– Estabilización con cal
Fuente: Roodi and Zornberg (2012)
Conclusiones sobre refuerzo de base
• Resultados de campo, laboratorio y estudios numéricoshan demostrado los beneficios de usar geosintéticos para estabilizar bases de pavimentos flexibles.
• Investigaciones previas han permitido la cuantificación de tales beneficios, usando un enfoque empírico.
• TBR y BCR son usados por AASHTO para el diseño.
• El Refuerzo Geosintético minimiza los efectos perjudicialesde las arcillas expansivas.
• El estado de la práctica avanza rápidamente hacia la identificación de las propiedades que gobiernan estemecanismo.
Resumen General • Las aplicaciones de geosintéticos en pavimentos pueden
ser asociados a funciones y mecanismos bien definidos• Existen significativas oportunidades para mejorar el
desempeño del pavimento mediante el uso de geosintéticos en diversas aplicaciones
• Se ha realizado un importante progreso en identificar y cuantificar las propiedades asociadas con las funcionesdel GS, relevantes para las diferentes aplicaciones
• Existe normatividad AASHTO para la introducción de losgeosintéticos en el refuerzo de las capas de base granulares
• Tenemos experiencia peruana comprobable
¿Preguntas?
…muchas gracias