viii. diseño de pavimento

ESTUDIO DE LA CARRETERA YUNGUYO COPANI ZEPITA

8.1GENERALIDADES

La parte más importante de una via es su pavimento. Sin esta estructura no se espera contar con un tránsito rápido, comodo y seguro.

8.2DEFINICIÓN Se define como pavimento al conjunto o capas de materiales seleccionados, apoyadas en toda su superficie, diseñadas y construidas para recibir en forma directa las cargas de tránsito y transmitirlas a las capas inferiores, distribuyéndolas con uniformidad.

De acuerdo con las teorías de esfuerzos y las medidas de campo que se realizan, los materiales con que se construyen los pavimentos deben tener la calidad suficiente para resistir las cargas producidas por el tránsito de vehiculos.

La calidad y los espesores de las capas del pavimento estan intimamente relacionados con los materiales de las capas inferiores y las características del tránsito. Con estos dos parámetros se debe estructurar el pavimento, utilizando materiales disponibles en canteras seleccionadas cercanas.

8.3CLASIFICACION.-

8.3.1 PAVIMENTO FLEXIBLE:

La superficie de rodamiento de un pavimento flexible es proporcionada por el asfalto, las cuales distribuyen las cargas de los vehículos hacia las capas inferiores por medio de toda la superficie, que trabajan en conjunto con la que recibe directamente las cargas.

8.3.2 COMPONENTES ESTRUCTURAL

Un pavimento puede estar constituido por una o varias capas, construidas sucesivamente sobre la porción superior del terreno en corte o relleno, que ha sido nivelada, perfilada y compactada quedando lista para soportarlo.Suelo de Fundación En términos generales es el terreno conformado por suelo, rocas o mezclas de ambos, en corte o en relleno cuya porción superior haya sido nivelada, perfilada y compactada sirve de soporte al pavimento. Sub Rasante

Es la porción Superior del suelo de fundación, que ha sido nivelada perfilada y compactada, que servirá de apoyo a diferentes capas del Pavimento.

Una Sub-rasante puede ser calificada como buena, regular o de mala calidad según sea el resultado obtenido de su valor relativo de soporte (CBR) obtenido en laboratorio, si este se encuentra comprendido entre 60% y 100%, 10% y 60% ó 0% y 10% respectivamente. Si la Sub rasante es buena, puede servir directamente de apoyo a la carpeta de rodadura; si

GOBIERNO REGIONAL PUNO Oficina Regional de Estudios y Proyectos

CAPITULO VIII: DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLESCAPITULO VIII: DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES


es mala conviene estudiar la posibilidad de reemplazarla o estabilizarla con materiales de manera que mejore su calidad.

Sub BaseEs un material de préstamo que se coloca entre la sub-rasante y la base en un pavimento flexible o entre la sub-rasante y la losa en un pavimento rígido, para cumplir la función de capa drenante, anticontaminante y/o resistente.

Como capa drenante para facilitar la evacuación lateral de las aguas provenientes del nivel freático, de aniegos. Como anticontaminante, para impedir el arrastre de finos de la sub-rasante hacia la base, para impedir que las gravas y piedras de la base se introduzcan en una sub-rasante blanda, para minimizar el efecto dañino por causa de las heladas o por arcillas expansivas.

Cumple las siguientes funciones.

Proporcionar uniformidad, estabilidad y soporte uniforme para distribuir sobre la sub rasante las cargas de tránsito recibidas de las losas.

Minimizar los efectos dañinos de la acción de las heladas a la sub rasante.

Prevenir el bombeo de los suelos de granos finos en las juntas, grietas y bordes de las losas rígidas.

Contrarrestar los cambios volumétricos (expansión y contracción) de la sub rasante.

Incrementar el módulo “K” de reacción de la sub rasante.

Capa de Desgaste o Superficie de Rodadura La capa de desgaste o superficie de rodadura, sirve para proteger a las capas inferiores del pavimento contra el desgaste, tomar los esfuerzos cortantes generados por las cargas del tráfico, proporcionar una superficie no deslizante, mas bien suave al deslizamiento y confortable al tránsito y para prevenir la penetración de agua hacia las capas interiores del pavimento.

8.4DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE

Método AASTHOEs uno de los métodos más utilizados y de mayor satisfacción a nivel internacional para el diseño de pavimentos flexibles. Dado que es desarrollado en función a un método experimental, con una profunda investigación de la autopista AASHTO en diferentes circuitos.

Formulación de Diseño.La ecuación básica de diseño a la que llegó AASHTO para el diseño de pavimentos flexibles para un desarrollo analítico, se encuentra plasmada también en nomogramas de cálculo, esta esencialmente basada en los resultados obtenidos de la prueba experimental de la carretera AASHTO. La ecuación de diseño para pavimentos flexibles modificada para la versión actual es la que a continuación se presenta:

Fórmula General AASHTO :


07.832.2

)1(1094

4.0

5.12.420.0)1(36.9)18(

19.5

10

10

MrxLog

SN

PSILog

SNLogSoZrELog


Donde:

SN = Numero Estructural.

E18 = Tráfico (Número de ESAL´s)

Zr = Desviación Estándar Normal

So = Error Estándar Combinado de la predicción del tráfico

∆PSI = Diferencia de Seviciabilidad

Pt = Serviciabilidad Final

Mr = Módulo Resilente psi.

Cd = Coeficiente de Drenaje

J = Coeficiente de Transferencia de Carga

Ec = Módulo de Elasticidad de Concreto

K = Módulo de Reacción de la Sub Rasante en psi.

A continuación se describen las variables de diseño:

Espesor (SN).El numero estructural “SN” que pretendemos determinar al realizar un diseño de pavimento flexible. El resultado del espesor se ve afectado por todas las demás variables que interviene en los cálculos. Es importante especificar lo que se diseña, ya que a partir de espesores regulares una pequeña variación puede significar una variación importante en la vida útil. Esta variable será importante para diseñar los espesores de las diferentes capas del pavimento.

Tráfico (E18).El método AASTHO diseña los pavimentos de concreto por fatiga. La fatiga se entiende como el número de repeticiones ó ciclos de carga que actúan sobre un elemento determinado. Al establecer una vida útil de diseño, en realidad lo que se esta haciendo es tratar de estimar, en un periodo de tiempo, el número de repeticiones de carga a las que estará sometido el pavimento. La vida útil mínima con la que se debe diseñar un pavimento flexible es de 20 años, en la que además se contempla el crecimiento del tráfico durante su vida útil, que depende del desarrollo socio-económico de la zona.

Tasa de Crecimiento Anual (Fca)Dependiendo de muchos factores, como es el desarrollo económico social de la zona, la capacidad de la vía, etc. Es normal que el tráfico vehicular vaya aumentando con el paso del tiempo hasta que llegue a un punto tal de saturación en el que se mantiene.

Factor de Crecimiento del Tráfico.El factor de crecimiento del tráfico es un parámetro que considera en el diseño de pavimentos, los años de periodo de diseño más un número de años adicionales debidos al crecimiento propio de la vía.

Período de Diseño (Pd).El presente trabajo considera un período de diseño de 20 años.

Factor de Sentido (Fs).

Del total del tráfico que se estima para el diseño del pavimento deberá determinarse el correspondiente a cada sentido de circulación



Factor Carril (Fc).Es un coeficiente que permite estimar que tanto el tráfico circula por el carril de diseño.

Factor de Equivalencia de Tráfico.Formulas que permiten convertir el número de pesos normales a ejes equivalentes los que dependen del espesor del pavimento, de la carga del eje, del tipo del eje y de la serviciabilidad final que se pretende para el pavimento.

Desviación Estándar Normal ( Zr ):Es función de los niveles seleccionados de confiabilidad.

Confiabilidad:Se denomina confiabilidad (R%) a la probabilidad de que un pavimento desarrolle su función durante su vida útil en condiciones adecuadas para su operación. También se puede entender a la confiabilidad como un factor de seguridad, de ahí que su uso se debe al mejor de los criterios.

TABLA N° 01DESVIACIÓN ESTANDAR( Zr).

Confiabilidad R (%)

Desviación Estándar (Zr)

50 0.00060 -0.25370 -0.52475 -0.67480 -0.84185 -1.03790 -1.28291 -1.34092 -1.40593 -1.47694 -1.55595 -1.64596 -1.75197 -1.88198 -2.05499 -2.32799.9 -3.09099.99 -3.750

Error Estándar combinado (So):

AASHTO propuso los siguientes valores para seleccionar la Variabilidad o Error Estándar Combinado So, cuyo valor recomendado es:

Para pavimentos rígidos 0.30 – 0.40

En construcción nueva 0.35

En sobre capas 0.40

Serviciabilidad (∆ PSI):



La serviciabilidad se define como la habilidad del pavimento de servir al tipo de tráfico (autos y camiones) que circulan en la vía. La medida primaria de la serviciabilidad es el Índice de Serviciabilidad Presente. El procedimiento de diseño AASHTO predice el porcentaje de perdida de seviciabilidad (∆ PSI) para varios niveles de tráfico y cargas de ejes.

Como el índice de serviciabilidad final de un pavimento es el valor más bajo de deterioro a que puede llegar el mismo, se sugiere que para carreteras de primer orden (de mayor tránsito) este valor sea de 2.5 y para vías menos importantes sea de 2.0; para el valor del índice de serviciabilidad inicial la AASHO llegó a un valor de 4.5 para pavimentos de concreto y 4.2 para pavimentos de asfalto.

Módulo Resilente (Mr)Es determinado usando la siguiente expresión:

Mr = 1500 CBR

Drenaje (m). TABLA N° 02

Calidad de Drenaje % de tiempo del año en que el pavimento está expuesto a niveles de saturación

Menor a 1% 1% a 5% 5% a 25% Mayor a 25%Excelente 1.25 – 1.20 1.20 – 1.15 1.15 – 1.10 1.10

Bueno 1.20 – 1.15 1.15 – 1.10 1.10 – 1.00 1.00

Regular 1.15 – 1.10 1.10 – 1.00 1.00 – 0.90 0.90

Pobre 1.10 – 1.00 1.00 – 0.90 0.90 – 0.80 0.80

Muy pobre 1.00 – 0.90 0.90 – 0.80 0.80 – 0.70 0.70

Para el caso los materiales a ser usados tienen una calidad regular de drenaje y esta expuesto en un 30% durante un año normal de precipitaciones.

Criterios Asumidos para el Diseño de Pavimento-

Se tuvo en cuenta la disponibilidad de canteras, para la conformación de la estructura del pavimento. Para lo cual se tuvo que hacer a cada uno de ellos su respectivo EMS.

Se verificó las distancias de traslado de material de la cantera hacia la vía en proyecto, así como la potencia con que cuenta cada una de las canteras.

Para la determinación del transito vehicular existente en la zona, se realizo el conteo en 04 puntos (estaciones).

8.5DISEÑO Y PROCESO CONSTRUCTIVO DEL TRATAMIENTO SUPERFICIAL DOBLE

Constituye el procedimiento mas simple y menos costoso para la preparación de superficies de rodamiento de tipo bituminoso. En síntesis



consiste en la aplicación de una o varias capas de material bituminoso a la que se añaden material inerte, grava, gravilla o arena.

Tratamientos Superficiales:

Este es un termino general que comprende diversos tipos de aplicaciones de la combinación de asfalto – agregado con un espesor máximo de 2.5 cm. (1 pulgada).La impermeabilidad que proporciona da a la base y sub base así como a la sub rasante la posibilidad de mantener sus condiciones de soporte, aunque el tratamiento en si no aporta si no muy poca resistencia a la estructura total del pavimento.Los tipos de tratamiento superficiales varían desde su aplicación ligera simple de un asfalto diluido al multicapa, en el que se hacen aplicaciones sucesivas y alternadas de asfalto y agregado

Tipos de Tratamientos:Existen diversos tipos de tratamiento las cuales son:

tratamiento superficial simple.tratamiento superficial múltiple.Capa de sello.Capa de imprimación.Paliativo de polvo.

Ventajas e Inconvenientes de los Tratamientos Superficiales

Ventajas:La primera ventaja que podemos enumerar es la que sobre bases granulares dan como resultado estructuras resistentes a las variaciones climáticas y al mismo tiempo utilizables para el trafico liviano y mediano.Como segunda ventaja que se puede indicar es la impermeabilidad que tienen, la cual evita la penetración de las aguas superficiales en la base, sub base y subrasante.

Desventajas: Debemos mencionar que no proporciona prácticamente resistencia a las

cargas, el tener poca duración a las cargas livianas y medianas y no ser muy recomendable su utilización en caso de cargas pesadas.

Para diseñar un tratamiento superficial de dos capas se parte de los siguientes supuestos:

El material inerte fino solo sirve para llenar los vacíos dejados por el material grueso de la primera capa.El espesor total de la capa del tratamiento es igual al tamaño promedio del agregado grueso.El tamaño máximo del material de la segunda capa deberá ser la mitad del tamaño máximo de la primera capa.Los vacíos que se tiene en el volumen absoluto del tratamiento terminado variara en un 5% a un 7%.La cantidad total del asfalto y agregado dependerá de la futura utilización y de la superficie tratada y de expresa en %s del volumen absoluto del tratamiento de la siguiente tabla:

CUADRO DE TASA DE APLICACIÓN



8.6CÁLCULO DEL ESPESOR DE PAVIMENTO

El cálculo de los espesores de las diferentes capas se muestra a continuación:


Tamaño del Inerte Cantidad de Inerte Kg/m2 Cantidad de Bitumen

Gln./m2

A ¾ “- 3/8” 22 - 30 0.37 - 0.45

B ¾” - # 8 17 - 26 0.27 - 0.38

C ½” - # 4 14 - 19 0.24 - 0.30

D ½” - # 8 14 - 19 0.24 - 0.30

E 3/8” - # 4 11 - 14 0.24 - 0.30

F 3/8” - # 8 11 - 14 0.24 - 0.30

G 1/4” - # 8 8 - 11 0.18 - 0.24

H Arena 5 - 8 0.12 - 0.18


8.7VERIFICACION DE PRESIONES EN TERRAPLEN

Para esta verificación fue necesario tomar como muestra las zonas donde el terreno de fundación no es muy bueno desde punto de vista estructural, cuyos CBR son menores de 7.50 %, y ademas existe presencia de nivel freático.

Básicamente este análisis es importante porque nos permitirá determinar el espesor de enrocado, y será quien se encargue de absorber y disipar las cargas actuantes, y así el terreno de fundación absorber lo mínimo de la carga. Otra función principal es la de servir como dren y evitar que el nivel de agua llegue a la estructura del pavimento.

1.- Compresibilidad

Posiblemente el problema mas grave que entraña un suelo de cimentación fino y compresible, es el que refiere a los asentamientos que en él pueden producirse al recibir la sobrecarga que representan los terraplenes. Por lo que estos pueden causar:

Asentamientos variable, ya que la presión bajo el centro es mayor que bajo los hombres.

Aparición de asentamientos diferenciales en el sentido longitudinal, por heterogeneidades en la cedencia del terreno de cimentación; estos producen perjuicios en la funcionalidad del camino, en el pavimento, en el drenaje superficial, etc.

Disminución de la altura del terraplén, el cual puede ser peligroso especialmente en este caso.

Agrietamiento en la corona del terraplén, especialmente cuando es muy ancha.

Incremento Del Esfuerzo Bajo Un Terraplen



Figura 1.1 Esfuerzo Trapezoidal

Cálculo de Asentamiento Elástico Basado En La Teoria De La Elasticidad:

Sea calcula en base a la teoría de la elasticidad y aplicando la Ley de Hooke.

Donde: Se = Asentamiento ElásticoEs = Modulo de Elasticidad del Suelo.H = Espesor del Estrato del Suelo.u = Relación de Poissonpx,py,pz = Incremento de esfuerzo.

Figura 1.2 Incrementos de Esfuerzo

Si Df = 0 y H = oo y Cimentación Flexible.



Figura 1.3. Comportamiento de Cimentación Flexible

donde:

m1 = L / B : B = Ancho de Cimentación L = Largo de la CimentaciónSi Df = 0 y h = oo (Cimentación Rígida)

Si Df = 0 y h < oo (Cimentación Flexible), para el Cálculo de Asentamientos, se tiene las siguientes ecuaciones.

Para el Uso de estas Ecuaciones, los Valores De F1 y F2, se calculan en la Fig. N° 1.4 y Fig. N° 1.5

Parámetros De Material Para Calcular Asentamiento Elástico

Tipo de Suelo Módulo de Elasticidad, Es Módulo de Poisson, s

Lb/Pulg2 MN/m2Arena Suelta 1500 – 3500 10.35 – 24.15 0.20 – 0.40Arena Densa Media 2500 – 4000 17.25 – 27.60 0.25 – 0.40Arena Densa 5000 – 8000 34.50 – 55.20 0.30 – 0.45Arena Limosa 1500 – 2500 10.35 – 17.25 0.20 – 0.40Arena y Grava 10000 – 25000 69 – 172.5 0.15 – 0.35Arcilla Suave 600 – 3000 4.10 – 20.70Arcilla Media 3000- 6000 20.70 - 41.40 0.20 – 0.50Arcilla Firme 6000- 14000 41.40 – 96.60



Figura 1.4 Valores de F1 para Ciment. Flexibles.

Figura 1.5 Valores de F2 para Ciment. Flexibles.

ASENTAMIENTO POR CONSOLIDACION

Generalmente se produce en suelos arcillosos saturados, donde:

Arcilla Norm. Consolidada



Arcilla Preconsolidada

Arcilla Preconsolidada con Po < Pc+ Po < Po+ Pprom

Donde: po = Presión Efectiva promedio sobre el estrato de arcilla antes de la

Constr.

prom = Incremento Promedio de la Presión sobre Arcilla..Pc = Presión de consolidación Eo = Relación de Vacíos inicial del Estrato de Arcilla.Cc = Índice de Compresión.Cs = Índice de ExpansibilidadHc = Espesor de la Arcilla.

TASA DE CONSOLIDACIÓN:

Se determina con las Siguientes fórmulas:

Donde: Cv = Coeficiente de Consolidación. Tu = Factor de tiempo adimensional. H = Longitud de la trayectoria Máxima de Drenaje. T = Tiempo que demora en consolidar un suelo.

Por lo que para fines de diseño se usará el Programa GEO-SLOPE (SIGMA elementos finitos), para las verificaciones respectivas tanto de diseño de asentamientos, distribución de presiones, etc.

Para lo cual se asume los siguientes valores de diseño:



En suelo de cimentación en su estratigrafía presenta una seria de capas que ciertamente no se diferencian mucho en sus propiedades por lo que se asume principalmente dos capas diferenciadas de suelo:

Capa 1: Tipo de Material : GW (Material Enrocado)Modulo de Young : 294199.50 KpaCoeficiente de Poisson : 0.40

Capa 2: Tipo de Material : Arcilla de Baja Plasticidad (Terreno de Fundación)Modulo de Young : 19613.30 KpaCoeficiente de Poisson : 0.20

Sobrecarga Peso propio + Sobrecarga (Vehiculo) : 40 Kpa

Valores que han sido tabulados en función a tablas (Mecánica de Suelos de Lambe – Whitman), yaen los estudios solo se cuentan con propiedades como limites liquidos, granulométria, las cuales nos sirvieron para estimar ciertas propiedades. Obteniéndose los siguientes resultados.

Asentamiento de Suelo de Cimentación

De donde se puede observar la curva de asentamientos que el terraplén sufrirá. Debajo del terraplén se tendrá un asentamiento aproximado de 0.26 cm, y así sucesivamente se tiene en todas las otras partes del suelo de Cimentación.

El asentamiento producido es relativamente nulo, porque la gran parte del esfuerzo producido por las cargas externas esta siendo absorbida por el enrocado.

Para la determinación de la profundidad óptima de enrocamiento fue necesario realizar una serie de calculos iterátivos, hasta obtener una altura adecuada. El enrocado óptimo resultante fue de 40 cm a 50 cm, con el cual se puede garantizar que la estructura del pavimento será resistente a las cargas externas de acuerdo a la cantidad de vehículos pre-establecidos.



Distribución de Presiones

Según los resultados se puede ver la distribución de esfuerzos verticales los cuales sufrirá el suelo de cimentación. Teniendo como Esfuerzo Máximo de 45 Kpa en la parte debajo del terraplen.



8.8 ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO

De los calculos efectuados, diseño de pavimento y de la verificación del terraplen se trata de uniformizar estructura, teniendo en cuenta el tráfico, nivel freatico y el CBR. Quedaria La siguiente:

Nota.

Vvariara de acuerdo a datos de diseño, para efectos de contruccion se idealiza la estructura.

El diseño de pavimento se eefctuo por tramos en el estudio definitivo se mostrara con mayor detalle.,


N.F40 cm60 cm

N.T.N.

3.5 cm

15 cm

10 cm

15 cm

PEDRAPLEN

BASE

SUB BASE

TSB

ANTICONTAMINANTE

viii. diseño de pavimento

Documents