Diseño De Pavimentos

OAXACA DE JUÁREZ, OAXACA A 12 DE MARZO DE 2013

ÍNDICE

Pág.

1. INTRODUCCIÓN 1

2. ESTRUCTURACIÓN DE LOS PAVIMENTOS FLEXIBLES. 4

3. VARIABLES DE DISEÑO 9

4. MÉTODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES 10

4.1. MÉTODO DEL INSTITUTO DE INGENIERÍA DE LA UNAM. 11

4.2. MÉTODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO 18

4.3. MÉTODO DE LA AASTHO 20

5. PRUEBAS DE LABORATORIO PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES. 28

5.1 PRUEBA DE LA PLACA 28

INTRODUCCIÓN

Debe reconocerse que los pavimentos que México necesita en sus carreteras no son hoy los mismos que fueron en otras épocas. Circunscribiendo las ideas a la red nacional pavimentada, tal como es el objetivo del presente trabajo, debe aceptarse un muy importante cambio de circunstancias entre el momento actual y las épocas en que las carreteras mexicanas empezaron a ser construidas y en que en buena parte se desarrollaron. La red nacional comenzó a partir de la época de 1920-1930 y creció a un ritmo moderado hasta 1950.Entre 1950 y 1970 la fue un objeto de un desarrollo muy importante y fue hasta 1980 continuo creciendo, en los últimos años en el periodo 1990-1995 tuvo lugar la incorporación de modernas autopistas con una longitud del orden de los 5,000 km.

En 1950 el vehículo más pesado que recorría las carreteras nacionales podía llegar a 7 u 8 toneladas, en la actualidad es usual ver circular unidades cuyo peso bruto supera las 60.esta multiplicación no ocurrió solo en peso, sino también en número. En 1950 la carretera más importante México podía tener 5 ó 6,000 vehículos diarios de los que un 10%, eran camiones de carga; hoy es posible contemplar en la red básica mexicana carreteras con 3 ó 4 veces mayor número de vehículos, además de que la proporción de vehículos de carga y aumento hasta 30% ó 40% del tránsito diario; México es uno de los países de mayor proporción de vehículos de carga dentro del flujo general.

Un pavimento puede definirse como la capa o conjunto de capas de los materiales apropiados, comprendida entre el nivel superior de las terracerías y la superficie de rodamiento, cuyas principales funciones son las de proporcionar una superficie de rodamiento uniforme, de color y textura apropiados, resistente a la acción del tránsito, a la del intemperismo y otros agentes perjudiciales, como transmitir adecuadamente a las terracerías los esfuerzos producidos por las cargas impuestas por el tránsito.

En otras palabras el pavimento es la superestructura de la obra vial, que hace posible el tránsito de los vehículos con la comodidad, seguridad y economía previstos por el proyecto. La estructura o disposición de los elementos que lo constituyen, así como las características de los materiales empleados en su construcción, ofrecen una gran variedad de posibilidades, de tal suerte que puede estar formado por una sola capa o, más comúnmente por varias y, a su vez dichas capas pueden ser de materiales naturales seleccionados, sometidos a diversos tratamientos; su superficie de rodamiento puede ser una carpeta asfáltica, una losa de concreto hidráulico o estar formada por acumulaciones de materiales pétreos compactados.

Los pavimentos se dividen en flexibles y rígidos. Sin embargo, la rigidez o flexibilidad que un pavimento exhibe no es fácil de definir adecuadamente como para permitir una diferenciación precisa entre uno y otro tipo de pavimento; es hasta cierto punto materia de juicio el precisar que´ tan rígido puede ser un pavimento flexible o qué tan flexible puede llegar a ser un pavimento rígido.

El hecho es que los pavimentos se diferencian y definen en términos de los materiales de que están constituidos y de cómo se estructuran esos materiales y no por la forma en cómo distribuyen los esfuerzos y las deformaciones producidos por los vehículos a las capas inferiores, lo que quizá constituirá un criterio de clasificación más acertado.

A medida que los vehículos evolucionaron en peso, velocidad, comodidad y autonomía se fue creando la necesidad de proporcionarles una pista de circulación con unas condiciones de curvatura, visibilidad, sección transversal, uniformidad, textura, etcétera, apropiadas a una demanda de operación cada vez más exigente.

Las ideas anteriores condujeron a la construcción de terracerías y condicionaron su evolución Obviamente la superficie de las terracerías debería ofrecer condiciones de rodamiento apropiadas y confortables al volumen creciente de vehículos cada vez más rápidos y pesados. Por razones económicas que saltan a la vista, en la construcción de las terracerías se impone el empleo de los materiales inmediato a ellas; esto llevó desde un principio a la utilización de suelos y fragmentos de roca. Las superficies de rodamiento obtenidas como remate de las terracerías formadas sólo por materiales naturales pétreos, solo resuelven los problemas derivados de la presencia del tránsito moderno si éste es realmente muy pequeño.

Los materiales naturales, utilizados como tales pueden proporcionar condiciones adecuadas de operación durante un cierto tiempo, pero no se ha logrado hasta hoy dar a tales condiciones la debida permanencia cuando los volúmenes de tránsito excedan de los mínimos a considerar, los cuales, por otra parte abundan bastante en muchos países de desarrollo aún limitado.

En caminos de muy escaso tránsito (a veces se ha dicho de menos de 200 vehículos diarios), las razones económicas impondrán el uso de superficie de rodamiento de bajo mezclas de éstos con suelos (revestimientos), bien seleccionados y compactados; será posible así obtener una superficie de bajo costo que pueda proporcionar durante algún tiempo condiciones apropiadas de transitabiilidad, con tal de que la reconocida susceptibilidad de estos materiales a la acción del agua se considere debidamente en otros aspectos de proyecto , como podrían ser la pendiente longitudinal y transversal, la curvatura, el drenaje superficial, etcétera.

El ingeniero dedica mayor atención técnica a las obras de las grandes autopistas que a las de los caminos modestos, con la consecuencia de que se desacrediten sin motivo valedero muchas soluciones simples con las que, en los casos apropiados, podrían lograrse grandes ahorros de inversión.

El tránsito es la carga que ha de soportar el pavimento y cuyos efectos, junto con los climáticos, deben quedar en niveles no destructivos; pues bien, pocas solicitaciones son más desconocidas y tienen desconocidas y tienen sus efectos peor estudiados. El transito varia en intensidad y en número de vehículos, en calidad y peso de los mismos y es una carga móvil, repetida, causante de esfuerzos transitorios, deformaciones transitorias y permanentes, de efectos especiales relativamente poco conocidos, como la fatiga, el rebote elástico etcétera.

Los factores económicos de costo, vida útil a considerar, definición de condiciones aceptables de servicio o de condiciones que ameriten compostura o reconstrucción constituyen un complejo trasfondo en todo el panorama de decisión conectado con el proyecto y la construcción de los pavimentos.

Las siguientes pueden considerarse las características fundamentales de un pavimento flexible, considerado como un conjunto:

La resistencia estructural.

La deformabilidad.

La durabilidad.

El costo.

Los requerimientos de conservación.

La comodidad.

Existen dos tipos principales de pavimento: los flexibles y los rígidos en los primeros, una carpeta asfáltica proporciona la superficie de rodamiento, las cargas de los vehículos hacia las capas superiores se distribuyen por medio de las características de fricción y cohesión de las partículas de los materiales; y la carpeta asfáltica se pliega a pequeñas deformaciones de las capas inferiores sin que su estructura se rompa. Las capas que forman un pavimento flexible son: carpeta asfáltica, base asfáltica, base y sub-base, las cuales se construyen sobre la capa subrasante.

ESTRUCTURACIÓN DE LOS PAVIMENTOS FLEXIBLES.

Se abordara el sistema con el que típicamente se estructuran la mayor parte de los pavimentos flexibles que se construyen en la actualidad.se trata de establecer una nomenclatura y de discutir el papel que se asigna a cada una de las diversas capas.

La figura IX-1 muestra una estructuración típica para una sección en terraplén, en este caso un balcón.

Bajo una carpeta bituminosa, formada típicamente por una mezcla de agregado pétreo y un aglutinante asfaltico, que constituye la superficie de rodamiento propiamente dicha, se disponen casi siempre por lo menos dos capas bien diferenciadas; una base, de material granular y una sub-base, formada, preferentemente también por un suelo granular, aunque el requisito obligue menos que la base, en el sentido de poderse admitir suelos de menor exigencia en lo que se refiere a la granulometría; la razón es, obviamente, el mayor alejamiento, por el que le llegan esfuerzos de menor intensidad.

Bajo la sub-base se dispone casi universalmente en el momento presente de otra capa, denominada subrasante, todavía con menores requisitos de calidad mínima que la sub-base, por la misma razón, pero cuyo fundamental papel mecánico y económico se discute cada vez menos.

Bajo la subrasante aparece el material convencional de la terracería, tratado mecánicamente en la actualidad casi sin excepción, por lo menos en los referentes a compactación.

El establecimiento del comportamiento conjunto de la terracería con la estructura del pavimento ha sido relativamente de poca atención en el pasado y existente poco escrito sobre el en la literatura especializada.

La deformabilidad parece ser el requisito básico para la aceptación o rechazo de un material de terracería y también el que condiciona su buen comportamiento como soporte de un buen pavimento. Desde este punto de vista serán fundamentales todos los conceptos que contribuyan a que el material de terracería sea poco deformable. Entre estos, la calidad de los materiales juega un papel importante, sobre todo en dos casos extremos, que corresponden a los materiales que tiene gran abundancia de fragmentos grandes y a los materiales que tienen predominio en los suelos. La deformabilidad que se tiene en terraplenes especial de deformabilidad que se tiene en terraplenes con grandes fragmentos, cuando aquellos son, en el otro extremo de muy baja altura, de manera que los fragmentos quedan cubiertos únicamente por capas delgadas de suelos.

Otro gran problema de los materiales que constituyen las terracerías se tiene, como ya se mencionó cuando estos están formados por suelos comprensibles y arcillosos. Muchos suelos MH y CH presentan características de deformabilidad tan desfavorables que su uso debe proscribirse. La secretaria de obras públicas de México, por ejemplo prohíbe el uso de los materiales MH, OH y CH cuando su límite liquido es de los materiales que en el sistema unificado reciben la denominación genérica de pt. No puede establecerse hasta qué punto una norma rígida especificación puede resolver este tipo de problemas, pues un mismo suelo puede tener comportamientos muy diversos según sean las condiciones de clima, drenaje y subdrenaje, geometría del terraplén donde se coloque, topografía del lugar, etcétera.

Una terracería deformable obligara al uso de pavimentos muy espesos, que logren que los esfuerzos trasmitidos lleguen a niveles suficientes bajos, por lo que plantean una disyuntiva muy clara; si la deformabilidad se toma en cuenta en el diseño del pavimento, este será antieconómico y el conjunto caro, pues ya se dijo que cuesta más el material del pavimento que el de la terracería; si al deformabilidad no se toma suficientemente en cuenta en el diseño del pavimento, como tantas veces ocurre, nunca se tendrá un pavimento con buen comportamiento en ese lugar por mejor que se conserve y por mucho que se reconstruya.

Cuando se dice “acción climática se entiende, a veces, efecto de variación estacional y se acepta implícitamente que este debe ser muy acusado y de grandes repercusiones en la vida de la vida terrestre; esto lo que parece no suceder. Parece que una vez construido un camino, se alcanza al cabo de algún tiempo una condición de equilibrio y que esta es relativamente independiente de los cambios estacionales, por lo menos en México, una vía terrestre puede estar en muy buenas condiciones generales en un lugar de clima desfavorable, si su trazo la protege y, en tal caso, la condición de equilibrio a que llegue podrá ser también favorable; recíprocamente, en un lugar de clima rentemente benigno, una vía puede alcanzar condiciones de equilibrio que impliquen peligros serios a su vida futura.

Naturalmente que la acción climática en un sentido más general puede influir en otros problemas conectados con la tecnología de los pavimentos, tales como al aparición de grietas longitudinales por procesos repetidos de evaporación y humedecimiento, en la que la acción solar juega un papel importante o el “envejecimiento” de una carpeta también por acción solar. También es un reflejo de la acción climática la formación de baches tras una lluvia por efecto del agua infiltrada.

Una subrasante del suficiente espesor y calidad permitirá muy importantes ahorros en los espesores de los pavimentos suprayacentes, sin perjuicio de la función estructural conjunta, pues será capaz de absorber niveles de esfuerzo relativamente altos provenientes de la superficie y transmitirlos suficientemente disminuidos a las terracerías. Desde este punto de vista económico resultan igualmente importantes la calidad y el espesor; los materiales que se usan en la capa subrasante nunca pueden ser demasiado buenos, de manera que la contribución de la capa usualmente descansa más en el espesor que en la calidad, pero es incuestionable que si se logra una alta calidad en el material de la subrasante (guardando las razonables proporciones en relación a los de sub.base y base) podrán tenerse los más importantes ahorros en los espesores de las capas de pavimento.

En muchos países, la subrasante no se construye con un material diferente al de la terracería y se distingue de este solo por un mejor tratamiento de compactación. Esta es una norma conveniente, sin duda cuando el material de la terracería es suficientemente bueno, pero si no lo es la experiencia mexicana parece indicar que es sistemáticamente económica y conveniente buscar un mejor material y acarrearlo desde un banco apropiado.

Pocas reglas generales pueden darse respecto al espesor que convenga dar a la capa subrasante, como quiera que se construya. La secretaria de obras públicas de México ha establecido para sus carreteras la cifra mínima de 30 cm y llega a 50 cm en caminos de alto tránsito o en lugares en donde el material de terracería no sea de confiar; la misma cifra de 50 cm se utiliza sistemáticamente en aeropistas y en estas se utiliza sistemáticamente en aeropistas y en estas aún pueden aumentarse, como es el caso, por ejemplo, del aeropuerto de la ciudad de México. La secretaria de obras públicas establece también en carreteras que el material de subrasante no debe tener partículas mayores de 7.6 cm (3”); elimina los suelos finos (MH, CH) cuyo límite liquido sea mayor de 100% y todos los suelos orgánicos con limite liquido mayor de 50%(OH).Especifica grados de compactación mínimos de 95 %.

Para muchos, la principal función de la sub-base de un pavimento flexible, es de carácter económico se trata de formar el espesor requerido del pavimento con el material más barato posible. Todo el espesor podría construirse con un material de alta calidad, como el usado en la base, pero se prefiere hacer aquella más delgada y sustituirla en parte por una capa de menor calidad, aunque haya de ser aumentado el espesor, pues, naturalmente, cuando menor sea la calidad del material colocado tendrá que ser mayor el espesor necesario para soportar y transmitir los esfuerzos.

La sub-base también se coloca para absorber deformaciones perjudiciales en la subrasante; por ejemplo, cambios volumétricos asociados a cambios de humedad, que podrían llegar a reflejarse en la superficie del pavimento. Otra función de la sub-base es actuar como dren para desalojar el agua que se infiltre desde arriba y para impedir la ascensión capilar hacia la base, de agua procedente de la terracería.

De todas las anteriores las funciones anteriores, la estructural y la económica existen seguramente en todas las sub-bases que se proyectan; las otras dependen un tanto de las circunstancias del caso y de la calidad del material que se utilice en la propia sub-base. Se pide que la curva granulométrica, además de estar comprendida en las zonas 1, 2, 3, tenga una forma semejante a los trazos que marcan esas zonas, sin cambios bruscos de curvatura, ala sub-base se le asigna un valor de relativo de soporte de mínimo de 50 % con el material en condición se satura respecto al grado de compactación, la secretaria de obras públicas de México exige un 90% de acuerdo con sus métodos de laboratorio.

Básicamente conviene buscar dos cualidades principales en un material de sub-base que son la resistencia friccionante y la capacidad drenaje. La primera beneficiara la resistencia del conjunto y, a la vez, será garantía de buen comportamiento en cuanto a deformabilidad, pues un material que posee esa calidad de resistencia será poco deformable a condición de estar bien compactado. La capacidad de drenante es muy deseable para la doble función al pavimento eliminar convenientemente tanto el agua que se filtre por su superficie, como la que asciende por capilaridad, los espesores de sub-base son muy variados de cada proyecto específico, pero suele considerarse 12 ó 15 cm como al dimensión mínima.

Hasta cierto punto en la base, que es la capa que sigue a la sub-base en el orden ascendente adoptado, una función económica análoga a la discutida para la propia sub-base pues permite reducir el espesor de la carpeta, más costosa, pero la función fundamental de la base de un pavimento flexible es estructural y consiste en proporcionar un elemento resistente a la acción de las cargas del tránsito y capaz de trasmitir los esfuerzos resultantes con intensidades adecuadas. La base tiene también una importante función drenante, según la que debe ser capaz de eliminar fácil y rápidamente el agua que llegue a filtrarse a través de la carpeta, así como de impedir radicalmente la ascensión capilar del agua que provenga de niveles inferiores.

El material que constituya la base de un pavimento flexible debe ser, entonces, friccionantes y suficientemente provisto de vacíos. La primera cualidad garantizara la resistencia estructural adecuada, así como la permanencia de dicha resistencia al variar condiciones circunstanciales, como por ejemplo el contenido de agua.

Los espesores de la base son también muy variables de acuerdo con el proyecto de que se trate, pero suele considerarse que 12 ó 15 cm es el espesor mínimo que conviene construir. Un punto que es merecedor de atención y sobre el que no se unifican del todo los criterios de los especialistas es el que se refiere a la conveniencia o no conveniencia de que la base de un pavimento flexible contenga determinadas cantidades de materiales finos, debajo de la malla 200, de la calidad que debe exigirse a esos finos y de las virtudes o inconvenientes que de su presencia sea dable esperar según los casos.

Los caminos de alto transito se tienen las condiciones adecuadas para poder manejar bases prácticamente sin finos o con porcentajes mínimos de estos, que no afectan los requerimientos de resistencia y deformabilidad que, por otra parte, serán máximos en vista de las características del camino. Seguramente esos porcentajes no tendrán que ser mayores de 5%.

En los caminos de transito medio o relativamente escaso que constituyen una fracción muy importante de la red de carreteras de muchos países, se tienen una situación intermedia entre los dos casos extremos que se han mencionado. La resistencia, la deformabilidad y las características hidráulicas de las bases piden la utilización de materiales granulares con contenido mínimo de finos o sin ellos. Ciertos requerimientos de trabajabilidad o de conservación de características bajo sobrecargas pequeñas (en este caso carpetas del orden 5) demandan, por una cohesión en la capa.

El material granular original de base es muy frecuentemente un producto de trituración el material que se le mezcla para incrementar su fracción fina contiene también una parte muy sustancial de tamaños más gruesos, que casi nunca tiene la calidad estructural del material triturado original, de manera que las características del conjunto se abaten también por este motivo; si estos gruesos son susceptibles de degradación, podrá ocurrir que al cabo de un tiempo el contenido de finos de la base sea bastante mayor que el que inicialmente considero el proyectista como deseable.

Como comentario final respecto al uso de finos en las bases cabe decir, en aquellos casos en que se dispondrá de una sobrecarga suficiente para garantizar la permanencia de las propiedades de los suelos granulares compactados, que el no usar finos obligara a extremar precauciones para respetar la superficie expuesta de la base, al empleo de riegos de impregnación protectores, al uso de técnicas de compactación con equipos adecuados, etcétera, pero alejara el riesgo de una falla futura del pavimento, mucho más costosa.

VARIABLES DE DISEÑO

Las variables de diseño que intervienen en el diseño de un pavimento flexible son numerosas y tiene interacción, por lo cual un proyecto adecuado debe analizar el problema desde un punto de vista general, entre las diferentes variables pueden mencionarse:

a) Estructurales: incluyen características relativas a cada una de las capas que constituyen la carretera, como espesores, resistencia y deformabilidad en las condiciones esperadas de servicio.

b) De carga: Se refiere a los efectos producidos por el transito mezclado al circular por la carretera. En este caso son importantes datos relacionados con transito medio diario anual, tasa de crecimiento anual, cargas por eje sencillo o múltiple histograma de distribución del tránsito en la sección transversal del camino, y vida de proyecto del pavimento antes que la carretera requiera una reconstrucción, cuyo caso debe definirse de antemano el criterio de falla del pavimento.

c) De clima y condiciones regionales: las características reológicas de los materiales que constituyen la carretera dependen de la temperatura, régimen de precipitación, precipitación media anual, nivel freático, geología y topografía de la región.

d) Variables de conservación: Un buen mantenimiento garantiza que las variaciones en las características constructivas de los materiales sean mínimas, no obstante, el costo puede ser excesivo. La ausencia de conservación implica cambios fuertes y normalmente un deterioro acelerado del camino. La solución adecuada debe escogerse entre ambos extremos.

e) Comportamiento: un pavimento adecuado es el que llega a la falla funcional después de haber resistido el tránsito de proyecto a la calificación más alta posible y al menor costo relativo. El comportamiento del pavimento depende de la interacción entre las características estructurales, solicitaciones del tránsito, clima, condiciones regionales y tipo de conservación aplicada.

F) Criterios de decisión: incluye numerosos factores que van desde la disponibilidad de fondos, costos, confiabilidad y economía de la obra, seguridad y calidad de operación, hasta de conservación deseables.

Los aspectos señalados presentan una fuerte interacción con el diseño estructural, y deben analizarse al realizar el proyecto.

Es utópico pretender determinar en forma exacta las variables de diseño, sobre todo porque estas deben predecirse a lo largo del tiempo y del espacio. El analista necesita reconocer esta dificultad e identificar los factores más relevantes del problema, así como la variación que es de esperarse tengan en el camino, a fin de fijar valores adecuados para el proyecto.

En general, el argumento más significativo del método de diseño es la resistencia, por tanto, deben estudiarse con el máximo cuidado tanto su valor medio como su intervalo de variación; la falta de precisión en la estimación de esta variable representa la mayor parte de la incertidumbre respecto al comportamiento del pavimento resultante.

MÉTODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

No se pretende en este documento hacer una recopilación de los diferentes métodos diseño que existen o se utilizan en los pavimentos flexibles. Tales métodos se usan en diferentes partes del mundo con distintas variantes locales, que generalmente añaden poco al criterio que se aplica.

La mayor parte de los métodos de diseño de espesores tiene como base una prueba de laboratorio o un conjunto de pruebas, que se supone sirven como índice para representar el comportamiento real de los pavimentos por medio de alguna correlación o conjunto de correlaciones más o menos razonables y seguras, que deben de existir entre el comportamiento de los materiales en el laboratorio y en la estructura.

Es natural esperar que los métodos de diseño que se basan en una prueba de laboratorio y en su correlación con el comportamiento estructural presenten las limitaciones y defectos que son imaginarse. Por otra parte es obvio que cuanto más representativa se la prueba índice, más posibilidades habrá de sacarle buen partido .dada las circunstancias de la razones anteriores, es lógico esperar que no exista un método de diseño de espesores que puedan aplicarse con confianza absoluta o siquiera, con un grado tranquilizador de confianza desde el punto de vista el método de referencia de criterio, una base de cálculo, pero también como algo que ha de ser complementado por “arte” y experiencia.

Se comprende entonces porque la tecnología de los pavimentos esta tan llena de factores ajenos a la metodología específica de un método de diseño. Por ejemplo, es común fijar normas de calidad relativamente estrictas a los materiales por utilizar, mejorándolos muchas veces con mezclas o añadidos substanciales de cemento, cal, asfalto, etc.; esta última tecnología, denominada estabilización de suelos será tratada con posterioridad en este mismo volumen.

Ya se ha comentado la gran dificultad que actualmente se tiene en plantear teóricamente el problema de los pavimentos de los pavimentos y es natural que esa dificultad o, para decirlo con mayor claridad, el hecho de no haberse logrado plantear en forma satisfactoria ninguna solución teórica, se refleje en los métodos de diseño solución teórica, es obvio que los métodos de diseño habrán de fundamentarse o en teorías insatisfactorias o en consideraciones ajenas a la teoría. Los pavimentos flexibles y rígidos tienen sus propios métodos de diseño los cuales tienen diferentes características.

MÉTODO DEL INSTITUTO DE INGENIERÍA DE LA UNAM.

Desde hace aproximadamente tres décadas, los proyectistas de carreteras han contado en México con un método de diseño para pavimentos desarrollado por el instituto de ingeniería de la UNAM, a petición de la entonces Secretaria de Obras Públicas, luego SAHOP y ahora SCT. Este método partió del análisis de datos experimentados en tramos de prueba, en carreteras en servicio, de investigación teórica y de experimentación en laboratorio en la pista circular de pruebas, que influyo más recientemente en sucesivos perfeccionamientos. Actualmente el método está preparado para ser manejado con la ayuda del cómputo. El conjunto del trabajo de años del instituto de ingeniería de la UNAM se encuentra en la publicación No.444 de dicha institución que data de 1981, pero en estas páginas solo se hará una breve glosa de trabajo correspondiente a la utilización de gráficos, nomogramas y ecuaciones de diseño.

Este método considera como datos de entrada básicos el tipo de carretera, el número de carriles, la vida de proyecto, el transito diario promedio anual (TDPA), tasa de crecimiento y variables adicionales sobre características del terreno y materiales, así como de climas, nivel freático y precipitación pluvial. Como guía para el proyectista, se recomienda la estimación de un valor relativo de soporte crítico (VRS) para condiciones previamente dadas (Tabla. 1.1).

Tabla 1.1 valor de relativo de soporte critico estimado para el de pavimentos, para subrasantes compactadas 95% del volumetrico seco maximo proctor.

Fuente:Rico, Instructivo Para el Diseño Estructural de Pavimentos Flexibles, p.

En esta tabla se muestra valores estimados de (VRS) exclusivamente para materiales de subrasante, dependiendo de algunos tipos de materiales, sus indices plasticos y diferentes profundiades del nivel freatico.

Se requieren adcionalmente pruebas de laboratorio confiables, para una mejor compresion del comportamiento de las terracerias y demas capas a diseñar debiendo realizarse para vada material propuesto y disponible pruebas con tres diferentes energias de compactacion; esto es, baja (AASHTO estandar) compactacion intermedia y alta energia (AASHTO modificada).

Encontrando la humedad optima y teniendo normado el porcentaje de compactacion que se especifique en el proyecto y dependiendo del control de la construccion, se indicara un rango de variacion de humedad respecto al optimo.paralelamente el laboratorio debera reportar los valores de resistencia en VRS para cada tipo de material a utlizar.

Con el conjunto anterior, se econtrara una zona que reflejara las condicones esperadas para la subrasante, econtrandose, en funcion de la humedad critica esperada, el valor critico de VRS de diseño (figura 1.1).

En funcion del VRS critico obtenido para la subrasante, por experiencia se asiganara un valor menor para el cuerpo del terraplen, del orden del 60% obtenido para la subrasante.para obtner el VRS critico de las capas restantes, esto es la subbase y base, el método emplea la siguiente ecuacion, en donde intervienen un coeficiente de variacion estimado (v) entre 0.2 y 0.3, debido a cambios posbiles en el material, procedimiento constructivo, etc. Lo anterior, siempre tendera a disminuir el VRS de campo promedio, que como ya se dijo cubrira incertidumbres tanto de la prueba de valor relativo de soporte como de los materiales, redundando en lo que se conoce como factor de seguridad.

VRS=VRS (1-0.84v)

El segundo paso contemplado en el metodo, consiste en la informacion y procesamiento de los datos del transto, partiendo del TDPA incial, su tasa de creciemento en porcentraje anual y la composicion vehicular detallada, considerando desde los automoviles y vehiculos ligeros hasta los vehiculos mas pesados de carga.se hace notar que el método comtempla en este análisis los porcentajes de vehiculos pesados, tanto cargados con carga legal, como totalmentvacios (Tabla 1.2).

Tabla 1.2 ejemplo de composicion vehicular con porcentajes de cargados y vacios.

Para el analisis del transito equivalente acumulado (ΣL), el metodo inicia con el calculo de los coeficientes de daño a diferentes profundidades de la estructura del pavimento, lo cual podra procesarse con el empleo de las tablas del apendice E del metodo de diseño original del instituto de ingenieria, reporte No.444 o con la ecuacion general No.1.1 incluida en este trabajo. Se debera calcular el coeficiente de daño de cada vehiculo tanto en condiciones de carga reglamentada y vacios para profundidades de Z=o cm para obtener los ejes equivalentes en carpeta y base, y Z=30 cm para el resto de la seccion:

logd1=(〖logσ〗_(z(i))-〖logσ〗_(z(eq)))/logA=(log⁡(pF_z(i) )-log⁡(5.8F_z))/logA

d1 = coeficiente de daño equivalente en capa i

σ_z= esfuerzos a la profundidad Z, en kg⁄〖cm〗^2

p = peso del eje en kg

F_z = coeficinete de influencia de boussinesq ala profundiad z

A= constante experimental

z = profundidad en cm

5.8= Presión de contacto de la llanta en kg⁄〖cm〗^2

Al obtener los coeficientes de daño para todos y cada uno de los vehiculos vacios y cargados a las profundiades Z=0 y Z=30, el proyectista debera multiplicar éstos por la composicion del transito en porcentaje. Con ello se obtendrá el numero de eje para equivalentes para cada vehículo y para cada profundidad. Al efectuar la sumatoria de tales valores en el carril de proyecto por el coeficiente de acumulacion del transito Ct (Ecuacion 1.2) y por el valor de TDPA inicial, se obtendra el tránsito equivalente acumulado ΣL para las capas de carpeta y base, y subbase y terracerias respectivamente (figura 1.2)

C_(T=) 365∑_(i-1)^n▒〖(1+r)〗^(i-1) =365[〖(1+r)〗^n/r] (1.2)

C_(T )= coeficiente de acumulación del transito

n = años de servicio

r = tasa de crecimiento anual

Finalmente el metodo presenta un procedimiento sencillo para obtener los espesores equivalentes de diseño de la seccion estructual del pavimento, procedimiento que incluye varios nomogramas que estan en funcion del nivel de confianza Qu que se elija, el valor relativo de soporte critico de cada capa y el transito equivalente acumulado en ejes sencillos de 8.2 ton. En el carril de proyecto, Figuras 1.3 y 1.4.

Con los nomogramas citados, el proyectista podrá obtener los espesores equivalentes para cada capa a las profundidades Zn, tomando en cuenta coeficientes de resistencia estructural recomendados ai, que considera 1 cm de asfalto equivalente a 2 cm de grava.

a1D1= Carpeta, D1 Espesor en cm, a1 Coeficiente equivalencia

a2D2= Base, D2 Espesor en cm, a2 Coeficiente Equivalencia

anDn = Capa n, Dn Espesor en cm, an Coeficiente Equivalencia

Con lo anterior, el proyectista estará en posibilidades de determinar el espesor final de cada capa de la seccion estructural del pavimento diseñado, iterviniendo para ello los diferentes criterios que adopten para una mejor estructuración de la sección carretera, tomando en cuenta ciertos arreglos de capas, ciertas clases de materiales y minimos espesores que se tienen especificados por la dependencia o autoridad responsable.Es importante hacer notar que para complementar la informacion proporcionada por el instituto de ingeniería de la UNAM, sobre los coeficientes de daño incluidos en el apéndice E, el lector de este trabajao podra consultar la informacion poroporcionada por el instituto Mexicano del Transporte en su Publicación Técnica No.5, donde se trata con detalle el Análisis de los coeficientes de Daño Unitarios correspondientes a los vehiculos de carga autorizados en la Red Nacional de Carreteras Mexicanas.

En el citado trabajo se utiliza la metodoloiga original del instituto de ingeniería de la UNAM, pero con la diferencia de analizar el daño a los pavimentos hasta 120 cm de profundidad, lo que cubre la gran mayoria de los pavimentos de la red federal.

Se analizaran 15 diferentes vehiculos de carga, proporcionando sus coeficientes de daño desde una profundidad de Z=0 Z=15 Z=30 Z=60=80 Z=100 y hasta llegar a z=120 cm, para ver el daño en las capas inferiores de la seccion estructural de un pavimento de daño “unitario” ponderado por carga útil, lo que auxiliará al proyectista para determinar el daño preciso en cualquier y para cualquier valor de carga legal permitida y aún los casos de vehiculos con sobrecarga.

Para lograr el detalle anterior y una mayor precisión en el cálculo hasta obtener los ejes totales equivalentes, el usuario tendrá que ampliar su tabla de cálculo sugerida por el instituto de ingenieria de la UNAM (reporte No.444), adicionando columnas y renglones para cada tipo de vehículo; columnas para más valores de profundidad Z=n.

Figura 1.3 Grafica para diseño estructural de carretera con pavimento flexible.

Fuente: IMT, Publicación 104, p.-36

Figura 1.4 Grafica para diseño estructural de carreteras con pavimento flexible

Fuente: IMT, publicación 104, p.-37

El instituto de ingeniería de la UNAM desarrolló un método teórico, para la estructuración de carreteras, en base a las teorías de distribución de esfuerzos en los suelos con el cual se obtiene una estructuración homogénea en todas sus capas. Las gráficas de proyecto del reporte 440 de dicho instituto están con base al volumen de tránsito acumulado en la vida útil de la obra y en el valor relativo de soporte de campo, proponiendo que este valor se obtenga con el método del cuerpo de ingenieros, que es muy elaborado y lento, por lo que en la práctica se usa el VRS de la prueba de Porter modificada, obteniéndose así espesores menos conservadores, debido a que como ya se explicó con anterioridad, este índice de resistencia es más cercano al de campo que si el VRS se obtiene en el laboratorio de especímenes compactados en forma dinámica. Además, al utilizarse un método sencillo y confiable se puede tener un mayor número de datos, con lo que los materiales se conocerán con mayor exactitud, ya que se obtiene un mejor valor de la media estadística. El método del instituto de ingeniería propone gráficas para diferentes grados de confianza.

Debido a que este método hace énfasis en el uso de datos estadísticos, como son valores medios, desviaciones estándar (s), coeficientes de variabilidad (v) y niveles de confianza, se presupone que deben corresponder como mínimo, a muestras pequeñas, o muestras de materiales y como para cada material diferentes sondeos o que se saturan por tres días, el número de especímenes para una longitud aproximada de 20 km serian: 12x15x4 =624 especímenes suponiendo que la estructura tenga 4 capas: cuerpo de terraplén, capa subrasante, sub-base y base.

El método del instituto de ingeniería requiere para calcular la media y el coeficiente de variabilidad de los valores relativos de soporte en cada una de las capas; con ello, se obtiene el VRS medio para luego obtener el VRS que será el proyecto. El dato de transito se obtiene de la misma manera que se explicó en el método de la Porter modificada (Padrón) explicada anteriormente, es decir, utilizando los coeficientes de daño. Sin embargo, para cada tipo de vehículo se proporciona el factor de daño para diferentes profundidad, estos factores aparecen en las columnas sombreadas corresponden a los pesos de los vehículos aprobados para 1994 en México. la suma mayor de ejes equivalentes, que corresponden a alguna de las profundidades es la que se toma para el proyecto. Esta suma mayor de ejes equivalentes multiplicados, así mismo, al utilizar las gráficas se encuentran un espesor de material natural necesario sobre la capa en estudio por lo general la metodología será igual.

MÉTODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO

Este método será basado también en el establecimiento de un límite de deflexión a la estructura del pavimento, el cual es función del número e intensidad de aplicaciones de carga a que estará sujeto el pavimento estudiado.

El primer paso para la aplicación del método del instituto del Asfalto consiste en determinar el número de tránsito para diseño, ya mencionado en páginas anteriores de este capítulo. La siguiente etapa es obtener las deflexiones del pavimento que se valúa por medio de la viga beckelman o un método equivalente; se especifica que el número de puntos estudiados de debe ser menor de 15 km o de 10 cm cada sección de prueba, entendiendo por esta a un tramo del camino al que se le asigna características del deterioro más o menos uniforme. Los puntos estudiados deben distribuirse aleatoriamente sobre el tramo escogido y debe calcularse la media aritmética de todos los valores obtenidos, así como la desviación estándar del conjunto de valores correspondientes a un tramo o a una sección en estudio. La deflexión se obtiene bajo una carga de 4,100 kg (9,000) en un sistema dual de llantas (8,200 kg por eje del vehículo.

Se define el concepto deflexión características por medio de la ecuación:

ᵹc= (ẋ+2s) fc

ẋ= es la media aritmética de los valores individuales de la deflexión en el tramo considerado.

S= es la desviación estándar de los mismos valores en el mismo tramo.

F= es un factor de ajuste por temperatura de la carpeta

e= es un factor de ajuste que varía con el periodo del año en el cual se hacen las mediciones (c=1 para el periodo que represente las condiciones más críticas del pavimento).

La figura IX-40 proporciona una gráfica que permite calcular el valor del coeficiente de ajuste por la temperatura de la carpeta.

El coeficiente de ajuste por el periodo del año en que se haga la medición ha de ser obtenido o bien realizándolas en la época del año más crítica para el pavimento (c=1) o haciendo un conjunto continuo de lecturas que cubran diferentes épocas del año, calculando en cada caso la relación entre dichas lecturas y la correspondiente al periodo crítico; lo anterior no debe resultar difícil de hacer para una institución importante que esté dedicada en gran escala a la construcción y conservación de pavimentos.

La deflexión característica y el número de tránsito para diseño son los datos con los que puede calcularse el espesor de concreto asfáltico que el pavimento necesita un como refuerzo. Usando los coeficientes de equivalencia entre espesores de concreto asfáltico que el pavimento necesita como refuerzo. Usando los coeficientes de equivalencia entre los espesores de concreto asfaltico y espesores de capas de naturaleza, que se han dado anteriormente en este capítulo, podrían calcularse diversas alternativas de estructuración del refuerzo necesario, si bien ha de hacerse notar que esta última posibilidad no figura explícitamente en las fuentes bibliográficas originales que proponen el método.

El Instituto Norteamericano del Asfalto proporciona con base en sus estudios de valuación un criterio que puede tener mucho interés practico, siguiéndolo serán posible estimar el tiempo en el cual un pavimento en buen estado puede llegar a necesitar un refuerzo, de acuerdo con la deflexión característica actual y la tasa del crecimiento anual del tránsito en el camino considerado, este método proporciona una gráfica en la que entrando con la deflexión característica que corresponda a un cierto camino en la actualidad, puede obtenerse el número de tránsito para diseño más alto que puede tener el camino si no requiere reparación. Este número deberá de compararse con el número de tránsito para diseño que realmente tenga el camino en cuestión; si este último es menor que el calculado con la gráfica, el pavimento no requiera refuerzo en la actualidad; si ambos números de transito son iguales se está en el momento en que es necesario el refuerzo, pero si el pavimento tiene un número de transito mayor que el calculado con la gráfica, el refuerzo ya debió de hecho, realizarse con anterioridad.

Si el número de tránsito para diseño que tiene el pavimento es menor que el calculado con la gráfica será posible, conociendo la tasa del crecimiento anual del tránsito, estimar el tiempo que habrá de transcurrir hasta que el pavimento llegue a tener un numero de transito igual al calculado en la gráfica teniéndose así una estimación del momento en que el pavimento ha de ser reparado.

El Instituto del asfalto de EUA presenta un método para el cálculo de espesores de capas para la estructuración de carreteras con principios semejantes a los del método del instituto de ingeniería de la UNAM.el transito acumulado de ejes estándar se hace en igual forma al del método citado y al del porter modificado.

En este método se recomienda utilizar el módulo de residencia de los materiales como la característica de resistencia; pero como este no se obtiene en forma sencilla y nuestros laboratorios en general no tienen el equipo necesario para realizar las pruebas correspondientes, se recomienda que esta característica se obtenga a partir del valor relativo de soporte, con la siguiente correlación:

Mr(psi) = 1500 VRS

VRS=1500/Mr (psi)

El valor relativo de soporte que se utiliza es el percentil que se crea conveniente, haciendo la recomendación que sea el 60 para caminos con bajo transito; el 80 para transito medio y el 90 percentil para caminos con alto tránsito.

Para el cálculo anterior, se establece que el número de valores de VRS del cuerpo de ingenieros que se requieren para un material determinado sea como mínimo de 6 y 8 como máximo. El espesor que se obtiene de esta grafica corresponde a una capa de concreto asfaltico, por lo que al calcularse el espesor de las capas inferiores, se deberán tomar los coeficientes de equivalencia correspondientes. Como este método no recomienda suficientes factores de equivalencia, los valores que pueden utilizarse son los que se recomiendan en el método de porter modificada (padrón) o algunos otros que el proyectista crea convenientes; en este caso el uso de los coeficientes es obligatorio, en contra de los otros métodos mencionados, en donde los coeficientes de equivalencia entre los materiales pueden utilizarse o no según el criterio del proyectista para poder tomar una buena decisión al momento de diseñar tu pavimento flexible ya que los materiales influyen en el criterio de diseño.

MÉTODO DE LA AASTHO

El actual método de la AASTHO, versión 1993 describe con detalle los procedimientos para el diseño de la sección estructural los procedimientos para el diseño de la sección estructural de los pavimentos flexibles y rígidos de carreteras. En el caso de los pavimentos flexibles, el método establece que la superficie de rodamiento se resuelve solamente con concreto asfaltico y tratamientos superficiales, pues asume que tales estructuras soportaran niveles significativos de tránsito (mayores de 50,000 ejes equivalentes acumulados de 8.2 ton durante el periodo de diseño) dejando fuera pavimentos ligeros para tránsito menores al citado, como son los caminos revestidos o de terracerías. En este método de diseño se reúne el procedimiento para pavimentos flexibles.

MÉTODO DE DISEÑO

Los procedimientos involucrados en el actual metodo de diseño, versión 1993, están basados en las ecuaciones originales d ela AASTHO que datan el 1961, producto de las pruebas de Ottawa, lllinoies, con tramos a escala natural y para todo tipo de pavimentos. La versión de 1986 y la actual de 1993 se ha modificado para incluir factores o parametors de diseño queno habían sido considerados y que son producto de la experiencia adquirida por ese organismo entre el metodo original y su versión más moderna, además de incluir experiencias de otras dependencias y consultores independientes.

El diseño está basado primordialmente en identificar o encontrar un numero estructural SN para pavimento flexible que pueda soportar el nivel de carga solicitado. Para determinar el número estructural SN requerido, el método proporciona la ecuación general y la gráfica 4.1 que involucra los siguientes parámetros:

El tránsito en ejes equivalentes acumulados para el periodo de diseño seleccionado, W18.

El parámetro de confiabilidad, “R”.

La desviación estándar global “So”.

El módulo de resilencia efectivo, “Mr” del material usado para la subrasante.

La pérdida o diferencia entre los índices de servicios inicial y final deseados “ΔPSI”

TRÁNSITO

Para el cálculo del tránsito el método actual contempla los ejes equivalentes sencillos de 18, 000 lb (8.2 ton) acumulados durante el periodo, por diseño, por lo que no ha habido grandes cambios con respecto a la metodología original de AASTHO. Solamente se aconseja que para fines de diseño “etapas o fases” se dibuje una gráfica donde se muestre el año, el crecimiento de los ejes acumulados (ESAL) vs tiempo, en años hasta llegar al fin del periodo de diseño o primera vida útil del pavimento. La ecuación siguiente puede ser usada para calcular el parámetro del tránsito W18 en el carril de diseño.

w18=D_D*D_L*W18

w18= transito acumulado en el primer año, en ejes equivalentes sencillos de 8.2 ton.

D_D= factor de distribución direccional; se recomienda 50% para la mayoría de las carreteras, pudiendo variar de 0.3 a 0.7, dependiendo de en qué dirección va el transito con mayor porcentaje de vehículos pesados.

w18= Ejes equivalentes acumulados en ambas direcciones.

D_L= Factor de distribución por carril, cuando se tengan dos o más carriles por sentido, se recomiendan los siguientes valores:

Tabla 4.1 FACTOR DE DISTRIBUCIÓN POR CARRIL

Una vez calculado los ejes equivalentes acumulados en el primer año, el diseñador deberá estimar con base en la tasa de crecimiento anual y el periodo de diseño en años, el total de ejes equivalentes acumulados y así contar con un parámetro de entrada para la ecuación general o para el nomograma de la figura 4.1.

Es importante hacer notas que la metodología original de AASTHO usualmente consideraba periodos de diseño de 20 años; en la versión actual de 1993 recomienda los siguientes periodos de diseño en función del tipo de carretera figura 4.2.

Tabla.4.2 PERIODOS DE DISEÑO EN FUNCIÓN DEL TIPO DE CARRETERA

Fuente: rico, la ingeniería de suelos en las vías terrestres, p.-76

CONFIABILIDAD “R”

Con el parámetro de confiabilidad “R”” se trata de llegar a cierto grado de certeza en el método de diseño, para asegurar que las diversas alternativas de la sección estructural que se obtengan, durarán como mínimo el periodo de diseño. Se consideran posibles variaciones en las predicciones del tránsito en ejes acumulados y en el comportamiento de la sección diseñada.

El actual método AASTHO para el diseño de la sección estructural de pavimentos flexibles, recomienda valores desde 50 y hasta 99.9 para el parámetro “R” de confiabilidad, con diferentes clasificaciones funcionales, notándose que los niveles más altos corresponden a obras que estarán sujetas a un uso intensivo, mientras que los niveles más bajos corresponden a obras o caminos locales y secundarios.

Tabla 4.3 VALORES DE “R” DE CONFIABILIDAD, CON DIFERENTES CLASIFICACIONES FUNCIONALES.

DESVIACIÓN ESTÁNDAR GLOBAL So.

Este parámetro está ligado directamente con la confiabilidad (R), descrita en el punto habiéndolo determinado, en este paso deberá seleccionarse un valor So “Desviación Estándar Global”, representativo de condiciones locales particulares, que considera posibles variaciones en el comportamiento del pavimento y en la predicción del transito.

Valores de “So” en los tramos de prueba de AASTHO no incluyeron errores en la estimación del tránsito; sin embargo el error en la predicción del comportamiento de las secciones en tales tramos, fue de 0.25 para pavimentos rígidos y 0.35 para los flexibles, lo que corresponde a valores de la desviación estándar total debidos al tránsito de 0.35 y 0.45 para pavimentos rigidos y flexibles respectivamente.

MODULO DE RESILENCIA EFECTIVO

El método actual de la AASTHO, la parte fundamental para caracterizar debidamente a los materiales, consiste en la obtención del módulo de resilencia, base (método AASTHO t-274), con muestras representativas (esfuerzo y humedad) que simulen las estaciones del año respectivas. El módulo de resilencia “estacional” será obtenido alternadamente por correlaciones con propiedades del suelo, tales como el contenido de arcilla, humedad índice plástico, etc.

Finalmente, deberá obtenerse un módulo de resilencia efectivo que es equivalente al efecto combinado de todos los valores de módulos estacionales, para la obtención del módulo estacional, o variaciones del Mr a lo largo de todas las estaciones del año se ofrecen dos procedimientos : uno, obteniendo la relación en el laboratorio entre el módulo de resilencia y el contenido de humedad de diferentes muestras en diferentes estaciones del año y, dos, utilizando algún equipo para medición de deflexiones sobre carreteras en servicio durante diferentes estaciones del año, sin embargo, para el diseño de pavimentos flexibles, únicamente se recomienda convertir los datos estacionales en módulo de resilencia efectivo de la capa subrasante.

DETERMINACIÓN DE ESPESORES POR CAPAS.

Una vez que el diseñador ha obtenido el numero estructural SN para la sección estructural del pavimento, utilizando el grafico o la ecuación general básica de diseño(figura 4.1) donde se involucran los parámetros anteriormente descritos (tránsito, R,So,MR,∆psi), se requieren ahora determinar una sección multicapa que en conjunto provea de suficiente capacidad de soporte equivalente al número estructural de diseño original. La siguiente ecuación puede utilizarse para obtener los espesores de cada capa, para la superficie de rodamiento o carpeta, base y subabase, haciéndose notar que el actual método AASTHO, versión 1993, ya involucra coeficientes de drenaje particulares para la base y sub-base.

SN=a_1 D_1+a_2 D_2 m_2+a_3 D_3 m_3

Dónde:

a_1 a_2 a_3= coeficientes de capa representativos de carpeta, base y sub-base respectivamente.

D_1 D_2 D_3= Espesor de la carpeta, base y sub-base respectivamente, en pulgadas.

m_2 m_3= Coeficientes de drenaje para base y sub-base, respectivamente

Para la obtención de los coeficientes de capa a_(1 ) a_2 a_3 deberán utilizarse la figura 4.2 a 4.6 en donde se representan valores de correlaciones hasta cinco diferentes pruebas de laboratorio: modulo elástico, Texas Triaxial, R-valor, VRS y estabilidad Marshall.

Para carpeta asfáltica A1 Figura 4.2

Para bases granulares A2 Figura 4.3

Para sub-bases granulares A3 Figura 4.4

Para bases estabilizadas con cemento Figura 4.5

Para bases estabilizadas con asfalto Figura 4.6

Para la obtención de los coeficientes de drenaje m_(2 ) y m_3, correspondientes a las capas de base y sub-base respectivamente, el método acutal AASTHO se basa en la capacidad del drenaje para remover la humedad interna del pavimento, definido lo siguiente:

Tabla 4.4 CAPACIDAD DEL DRENAJE PARA REMOVER LA HUMEDAD

En la tabla 4.5 presentan los valores recomendados para m_2 y m_3 (bases y subbases granulares sin estabilizar) en función del drenaje y el porcentaje del tiempo a lo largo de un año.

Tabla 4.5 VALORES m_i RECOMENDADOS PARA MODIFICAR LOS COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA DE BASE Y SUBASES SIN TRATAMIENTO, EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.

Para capas estabilizadas con cemento o asfalto y para superficie de rodamiento elaborada con concreto asfaltico, el método no considera un posible efecto por el drenaje por lo que en la ecuación de diseño solo intervienen valores de m_2 y m_3 y no se asigna valor para m_1 correspondiente a la carpeta.

Para el cálculo de los espesores D_1, D_2 y D_3 (en pulgadas) el método sugiere respetar los siguientes valores mínimos, en función del tránsito en ejes equivalentes sencillos acumulados:

Tabla 4.6 ESPESORES MÍNIMOS, EN PULGADAS, EN FUNCIÓN DE LOS EJES EQUIVALENTES.

:

T.S= Tratamiento superficial con sellos.

ANÁLISIS DEL DISEÑO FINAL CON SISTEMA MULTICAPA

Deberá reconocerse que para pavimentos flexibles, la estructura es un sistema de varias capas y por ello deberán diseñarse de acuerdo a ello. Como ya se describió al principio del método el “numero estructural SN” sobre la capa subrasante o cuerpo del terraplén es lo primero a calcularse. De la misma deberá obtenerse el número estructural requerido sobre las capas de la subbase y base, utilizando los valores de resistencia aplicables para cada uno. Trabajando con la diferencias entre los números estructurales que se requieren sobre cada capa, el espesor máximo permitido de cualquier capa puede ser calculado. Por ejemplo, el numero estructural máximo permitido para material de la capa subbase, debe ser igual al número estructural requerido sobre la subbase restado del SN requerido sobre la subrasante.

El método AASTHO recomienda el empleo de la siguiente figura y ecuaciones:

Figura 4.8 RECOMENDACIONES DE ASSTHO

〖D*〗_1≥〖SN〗_1/a1

〖SN*〗_1=a_1 D_1≥〖SN〗_1

〖D*〗_2≥(〖SN〗_2-〖SN*〗_1)/(a_2 m_2 )

〖SN*〗_1+〖SN*〗_2≥〖SN〗_2

〖D*〗_3≥(〖SN〗_3-(〖SN*〗_1+〖SN*〗_2))/(a_3 m_3 )

a, D, m, y SN corresponden a valores mínimos requeridos D* y SN* valores finales.

PRUEBAS DE LABORATORIO PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES.

Dentro de la tecnología de los pavimentos se ha desarrollado algunas pruebas especiales que conviene mencionar por el uso creciente que de ellas se hace, en algunos casos, o porque sirven de base a métodos de trabajo de aplicación muy extendida. Dentro de este orden de ideas se trataran, aunque sea someramente, las pruebas de placa, las de valor relativo de soporte y alguna de tipo triaxial.

5.1 PRUEBA DE LA PLACA

Se hacen valuar la capacidad portante de la subrasantes, las bases y, en ocasiones, los pavimentos completos.se utilizan en la actualidad tanto en pavimentos rígidos como flexibles.

La prueba consiste en cargar una placa circular, en contacto estrecho con el suelo por probar midiendo las deformaciones finales correspondientes a los distintos incrementos de carga utilizados. En aeropistas en frecuente el uso de placas de 76.2 cm de diámetro (30 pulg), pero en carreteras suelen emplearse placas menores de 30.5 cm de diámetro (12 pulg), cuya área se parece a la de apoyo de una llanta. Para impedir la flexión de la placa se le colocan encima otras, de diámetros decrecientes, que dan al conjunto la rigidez deseada. La carga se transmite a las placas con gatos hidráulicos con reacción dada generalmente con camiones cargados. Las deformaciones producidas se miden usualmente en cuatro puntos de la placa, dos a dos opuestos y dispuestos en cruz, por medio de extensómetros ligados a un puente cuyo apoyo se coloca lo suficientemente lejos de la placa como para poder considerarlo fijo.

La carga unitaria que se puede considerar que aplica la placa depende de la relación ente su perímetro y su área, así como de la resistente que sea el suelo. La carga unitaria (presión normal) que la placa transmite, para una deflexión dada, corresponde a la ecuación.

σ=n+m p/A

Dónde:

σ = es la presión normal transmitida por la placa.

n y m= son los coeficientes empíricos obtenidos experimentalmente.

P⁄A= es la relación entre el perímetro y el área de la placa.

La fórmula se basa en relaciones empíricas y no presupone para el suelo ningún modo especial de comportamiento (por ejemplo, elástico). Los valores de n y m han de determinarse haciendo por lo menos dos pruebas con placas diferentes, con la misma deflexión y midiendo la presión en cada una.

Por medio de la prueba de la placa puede calcularse el módulo de reacción de una subrasante dada. Este concepto define como la presión que ha de transmitirse a la placa para producir al suelo una deformación prefijada.

k=P/A=[Fuerza/〖long〗^3 ]

El módulo de reacción así definido depende del diámetro de la placa que se use para calcularlo, pues a presión constante, el asentamiento de la placa circular crece con su diámetro, por lo que si se fija un asentamiento dado, la presión necesaria para producirlo ira siendo menor a mayor diámetro de la placa; esta es una de las razones por las que conviene estandarizar el diámetro de las placas que se utilicen. El módulo de reacción, como cualquier otro parámetro de comportamiento de la subrasante, depende de la humedad del suelo. En el laboratorio o en una prueba de campo debería trabajarse con el contenido de agua que se considera critico; algunas instituciones lo hacen con el que corresponde a la saturación; otras como las del estado de Texas (E.U.A), con el que resulta de un proceso de curado previamente especificado, que se describe más adelante dentro de las normas para la prueba triaxial de Texas. El punto es ciertamente delicado e indudablemente de aquellos en los que el criterio del ingeniero resulta decisivo; además no es privativo del tipo de pruebas que ahora se describe sino que afecta todas las pruebas de campo y laboratorio que hayan de hacerse para proyectar pavimentos no construidos todavía.

Cuando se usa un criterio para establecer la humedad que se considera representativa de la futuras condiciones de trabajo medidas de los suelos, los resultados de las pruebas de placa, hechas sobre los suelos con un contenido de agua en general diferente, han de corregirse con un factor que depende de la relación de resistencias a la compresión simple de dos especímenes del suelo probados uno en la condición natural en que se haya hecho la prueba y otro con el contenido de agua que se haya considerado el crítico de proyecto o el representativo de las condiciones futuras de equilibrio. La utilización de la prueba de compresión simple en este caso, aunque se vea razonable no deja de ser arbitraria.

5.2 PRUEBA DE VALOR RELATIVO DE SOPORTE

Esta prueba es originalmente desarrollada por el departamento de carreteras del estado de california; actualmente es de uso muy extendido y el método de diseño en ella fundado quizá sirve para proporcionar más de la mitad de todos los pavimentos en el mundo.

El valor relativo de soporte (VRS) se obtiene de una prueba de penetración, en la que un vástago de 19.4 cm (3 pulg) de área se hace penetrar en un espécimen del suelo a razón de 0.127 cm/min (0.05) (pulg/min); se mide la carga aplicada para penetraciones que varíen en 0.25 cm (0.1 plg) y la presión requerida para tener la misma penetración en un material arbitrario, adoptado como patrón que es una piedra triturada en al que se producen las presiones del vástago.

Como se dijo la penetración que se usa para calcular el V.R.S es la de los primeros 0.25 cm; como regla general, el VRS disminuye cuando la penetración en que se hace su cálculo es mayor, pero a vece si se calcula con la penetración de 0.5 cm (0.2 plg) resulta ms grande que el obtenido de la primera penetración en tal caso se adopta como VRS el obtenido con la segunda penetración (0.5). El espécimen de suelo con el que se hace la prueba esta confinada en un molde 15.2 cm (6 plg) de diámetro y 20.3 cm (8 pulg) de altura. En el método de prueba original utilizado en california, el espécimen se preparaba en tres capas varilladas que llenasen el molde; después el material se presionaba con 140 kg/cm provocaran la exudación del agua en la parte inferior del molde; este espécimen, tras un periodo de saturación de 4 días, se suponía representativo de las condiciones más desfavorables que pudieran llegar a prevalecer en el futuro del pavimento.

Los factores que afectan a los valores obtenidos en la prueba del VRS son la textura del suelo, su contenido de agua y su condición de compactación. En los suelos friccionaste prácticamente no hay expansión durante la saturación, por lo que el monto de la sobrecarga dada por la placa perforada no es significativo durante esa etapa de la prueba; sin embargo, el valor de la sobrecarga si influye mucho en la etapa de penetración, pues el confinamiento afecta mucho la resistencia de los suelos friccionaste. En los suelos arcillosos ocurre precisamente lo opuesto, generalmente la curva presión-penetración obtenida de una prueba de V.R.S. es lineal para bajas penetraciones y tiende a hacerse ligeramente curva, con la concavidad hacia abajo, a penetraciones mayores; en ocasiones sin embargo la gráfica resulta curva con concavidad hacia arriba en un pequeño tramo correspondiente a las penetraciones iniciales; esto ocurre sobre todo cuando el pisón no está exactamente a la superficie de la muestra.

Cabe señalar dado al extenso casi universal uso, que hoy se hace de la prueba de VRS como base o índice para proporciona miento de espesores de pavimentos flexibles, cual pueda ser su valor como prueba destinada a medir la resistencia de los suelos y cual su ubicación dentro del conjunto de técnicas de laboratorio o de campo que la mecánica de suelos ha desarrollado y recomienda para medir tan fundamental característica. La prueba es un ensaye de penetración o punzonamiento en el cual un vástago penetra al suelo en un molde por ejercicio de una presión que se aplica con velocidad controlada; se mide la penetración previamente establecido; al final de la prueba se está en condiciones de dibujar una grafica presión-penetración, en la que estos últimos valores son previamente seleccionados y los primeros pueden variar fuertemente de caso según la naturaleza del suelo, su contenido de agua, las condiciones de compactación, etc.

El punzonamiento es una forma extraña de trabajo de los materiales térreos y desde luego no se parece a ninguna circunstancia de trabajo de los materiales térreos y, desde luego, no se parece a ninguna circunstancia de trabajo de interés practico a que vaya a estar sujeto un suelo en un pavimento bajo cargas del tránsito y sujeto a los embates del clima, Así lo que podría considerarse representatividad como modelo, no se tiene en una prueba de VRS en principios nada implicado en los resultados de la prueba podrá considerarse aplicable al comportamiento de la prueba podrá considerarse aplicable al comportamiento estructural de un pavimento.

Adicionalmente la prueba tiene características que la hacen de interpretación difícil. Sus condiciones de frontera son, a la vez cinemáticas (paredes y fondo del molde) y dinámicas (sobrecarga de las placas y presión del pistón), las cuales no son fáciles de conciliar par una interpretación clara. Las características viscosas del material juegan un papel importante y tampoco son fáciles de visualizar. Se diría, además que el dimensionamiento de una capa de pavimento tiene que estar ligado a la resistencia de los suelos y no solo a su deformabilidad; la prueba atiende únicamente a esta segunda característica. No se ha investigado, hasta donde los autores de este apartado conocen, el efecto de escala en la prueba de VRS pero es de esperar que sea extraordinariamente fuerte, lo que hace pensar que la prueba tiene un poco significado intrínseco, es posible pensar que el desarrollo y resultado de la prueba de VRS depende a fin de cuentas, de cual sea la resistencia del suelo a la penetración del vástago de manera que aunque la prueba no sea una prueba de resistencia, la resistencia al esfuerzo cortante del suelo está involucrada de un modo indirecto, a través del mecanismo del punzonamiento.

5.3 PRUEBA DE LOS MATERIALES PÉTREOS

Esta prueba permite determinar la temperatura mínima a la que el asfalto produce flamas instantáneas al estar en contacto con el fuego directo, así como aquella en que inicia su combustión. La prueba consiste en colocar una muestra de asfalto en una copa abierta de Cleveland, en donde se incrementa paulatinamente su temperatura hasta lograr que el pasar una flama por la superficie de la muestra se produzcan en ella flamas instantáneas, la temperatura correspondiente se denomina punto de inflamación. Si se continúa elevando la temperatura de la muestra se llega al punto en que se inicia la combustión del material, la temperatura correspondiente se denomina punto de combustión.

Equipo:

El equipo para la ejecución de la prueba debe estar en condiciones óptimas para su uso, calibrado, limpio completo en todas sus partes y sin desgaste.

El equipo necesario es el siguiente:

Copa abierta de Cleveland de latón, bronce o acero inoxidable, con la forma y dimensiones indicadas en la figura 1.

Soporte para la copa abierta de Cleveland mostrado en la figura 2 provisto de una placa de apoyo metálica y otra de asbesto ambas con las características indicadas en la figura 3.

Figura 1. Copa abierta de cleveland

Parrilla electrica o mechero adaptada para controlar en forma uniforme la aplicación de calor. Si se emplea un mechero, se protegera de las corrientes de aire o de la luz excesiva en el sitio de trabajo, mediante una pantallla que no sobresalga del nivel superior de la placa de apoyo.

Figura 2. Montaje del equipo

Figura 3. Placa circular de apoyo para la copa de cleveland

Aplicación de flama se determina con dimensiones aproximadas de 1,6 mm de diametro en el extremo de salida y orificio de 0.8 mm de diametro, acoplado al soporte de tal forma que le permita girar en un plano horizontal que diste 2 mm como maximo del borde superior de la copa de cleveland, como se muestra en la figura 2.

Preparacion de la muestra

La preparacion de la muestra se toma una porcion liegeramente mayor al de la copa abierta de cleveland y se calienta en un recipiente apropiado, agitandola en forma continua para distribuir la temperatura uniformente, hasta que adquiera la fluidez suficiente que facilite su vaciado en la copa, cuidando que la temperatura alcanzada no exeda de 130 °C. La muestra se se llevara acabo mediante los siguientes pasos:

Se monta y sujeta el termometro de manera que el extremo inferior del bulbo quede a 6.4 mm del fondo de la copa abierta de cleveland, previamente colocada en la placa de apoyo, en un punto situado a la mitad de la distancia entre el centro y la pared de la copa al aplicador punto situado a la mitad de la distancia entre el centro y la pared opuesta entre el aplicador.

Se vacia lentamente en la copa abierta de cleveland el material asfaltico preparado, hasta que la parte superior del menisco coincida con la marca de aforo de la copa, destruyendo cualquier burbuja que se forme en la usperficie de la muestra de prueba vertida.

Se enciende el aplicador de flama y se ajusta esta para que tenga un diametro aproximado de 3 a 5 mm lo cual se verificara por comparacion con una esfera de referencia, instalada en la placa de apoyo como se muestra en la figura 2, despues de lo cual el aplicador se mantiene alejado de la copa mientras no se le requiera.

Se aplicara calor ala muestra de prueba de manera que seu temperatura aumente a razon de 14 a 17 °C/min, hasta que alcance una temperatura aproximada de 60 °C abajo del punto de inflamacion probable.

Se registrara como punto de inflamacion en grados celsius con aprocimacion de 2°C la temperatura leida en el termometro cuando al pasar el aplicador se produzca una pequeña flama instantanea o destello en cualquier punto de la superficie de la muestra, teniendo cuidado de no confundirla con el pequeño halo que suele tener la flama al aplicador, se continua incrementando la temperatura de la muestra a razon de 5 a 6 ° C/min pasando el aplicador de flama.

Para evitar errores durante la ejecucion de la prueba, se observaran las siguientes precauciones:

Realizar la prueba en un local libre de corrientes de aire y relativamente oscuro para que puedan indentificar facilmente las flamas.

Evitar agitar los vapores que se desprendan de la copa al aplicar la flama de prueba, no haciendo movimientos bruscos ni respirando cerca de ella.

Lavar la copa con un disolvente adecuado para eliminar cualquier residuo de la prueba anterior si contiene particulas de carbon removerlas con fibra de acero y lavarla con agua fria, despues acercarla a una flama o colocarla sobre una parrilla electrica para eliminar el disolvente y el agua.

PRUEBA A LOS MATERIALES

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