01 Introducción-Terreno de Fundacion-EMS

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DISEÑO DE PAVIMENTOSIng. Arturo Mendoza Medina, MSc

Introducción ‐ Terreno de Fundación ‐ EMS

Contenido del curso

Semana 1 : INTRODUCCIÓN ‐ EL TERRENO DE FUNDACION ‐ESTUDIO DE SUELOS

•Introducción a la Ingeniería de Pavimentos

•Reseña histórica

•Tipos de pavimentos

•Pistas de ensayo

•Factores para el diseño de los pavimentos

•Tensiones y deformaciones en pavimentos

•Terreno de fundación, clasificación de suelos y propiedades

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Contenido del curso

Semana 2:DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES• Consideraciones Generales• Método AASHTO• Método del Instituto del Asfalto

Semana 3:DISEÑO DE PAVIMENTOS RIGIDOS• Consideraciones generales• Método AASHTO• Método PCA

Contenido del curso

Semana 4:

DISEÑO DE PAVIMENTOS MIXTOS

• Consideraciones generales

• Diseño de pavimentos mixtos

PATOLOGÍAS Y REFUERZO DE PAVIMENTOS EN SERVICIO

• Evaluación de Pavimentos

• Tipos de falla

• Reforzamiento de pavimentos rígidos fisurados

• Conservación y recomendaciones

• Rehabilitación y reconstrucción de pavimentos

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Sistema de evaluaciónPara aprobar el curso, el alumno deberá cumplir con lo siguiente:

1 Asistencia en un 70% de clases

2 Informes y Exposiciones programadas

4 Pruebas escritas

FORMULA PROMEDIO

N1 = (P1 + T1 + EP)/3

P1 Práctica 1

T1 Trabajos y Sustentaciones

EF Examen Parcial

N2 = (P2 + T2 + EF)/3

P2 Práctica 2

T2 Trabajos y Sustentaciones

EF Examen Final

Nf = NOTA FINAL

Nf = (N1 + N2)/2

Normas a revisar

• MTC (2014), Manual de Carreteras: Suelos, Geología, Geotecnia y Pavimentos

• MTC (2014), Manual de Carreteras: Mantenimiento o Conservación Vial

• MTC (2013), Manual de Carreteras: Especificaciones Técnicas Generales para Construcción(EG‐2013)

• MTC (2000), Manual de Carreteras: Ensayo de Materiales para Carreteras (EM‐2000)

http://www.mtc.gob.pe/transportes/caminos/normas_carreteras/manuales.html

• MVCS (2010),Norma CE.010 Pavimentos Urbanoshttp://www.sencico.gob.pe/descargar.php?idFile=182

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1.1. Introducción

¿Qué es un pavimento?

Es una estructura constituida sobre el terrenoexistente para facilitaren forma rápida, segura,económica y confortable la circulación deltránsito

La ingeniería de los pavimentos involucra el estudio de:

• Materiales para pavimentación

• Análisis estructural del pavimento

• Diseño del pavimento

• Mantenimiento y rehabilitación de los pavimentos

Ingeniería de Pavimentos

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Estructura de pavimentos

Geosintéticos en las vías de comunicación

Principales objetivos:• Impedir contaminación entre capas de la estructura por el efecto de las cargas dinámicas y el

arrastre del agua.• Resistir los esfuerzos de tensión del material disminuyendo los espesores de diseño y los

volúmenes de movimiento de tierras.• Evitar el taponamiento por colmatación de estructuras de drenaje.• Evitar la aparición de grietas por reflexión en la capa de rodadura al actuar como una inter fase de

separación entre la capa de rodadura nueva y la capa antigua fisurada.

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Pavimentos construidos sobresuelos de baja capacidad desoporte, reforzado en la basepor un geosintético conresistencia a la tracción paragarantizar la estabilidad de laestructura y minimizarasentamientos diferenciales.

Productos GEOSINTÉTICOS

Refuerzo para base de pavimento

Componentes necesarios para proteger la sección estructural delos pavimentos (especialmente flexibles) de los efectos del aguaexterior que pudiera penetrar en ellas. Este efecto es siemprenocivo por más que se extremen las precauciones para controlar lapresencia siempre indeseable de los materiales arcillosos.

Subdrenajes

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1.2. Reseña históricaLa Vía Apia (Latín: Via Appia) fue una de las más importantes calzadas de la antigua Roma, queunía Roma con Brindisi, el más importante puerto comercial con el Mediterráneo Oriental yOriente Medio.

Los romanos se dieron cuenta de la nobleza inherente del camino, destacado por lascircunstancias y el método de su construcción, y su utilidad a la república romana. Se convirtió enel mismo símbolo de la república, trayendo consigo estabilidad, paz y libertad a su gente.

Red de caminos del Imperio Romano

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El Imperio Romano (siglo II a.C.) jerarquizó loscaminos como:

• Caminos enlosados, o “stratis lapidibus”

• Caminos afirmados, o “injecta glarea”

• Caminos de tierra, o “viae terrenae”

Construcción de caminos sobre bases científicas

Es fundamentalmente en el concepto de pavimento que Roma, destaca sobre todas lasculturas precedentes. Las rutas principales (stratis lapidibus) son protegidas congrandes losas que descansan sobre una base de grava unida con mortero.

Los caminos afirmados (injecta glarea) constituían la mayor parte de una red de300,000 Km. Estaban conformados por una capa superior de grava bien gradada queproporcionaba resistencia al roce, por un segundo estrato de piedra mediana y por unao dos capas de piedra grande.

Las vías romanas estaban constituidas por dos carriles para carruajes, cada unode aproximadamente 2.25 metros de ancho y dos paseos laterales tambiénpavimentados, hasta llegar a un ancho total de 5.50‐6.00 metros.

Los espesores de los pavimentos nunca eran menores a 0.45 m y, por lo general,alcanzaron un espesor en el orden de 0.90m ‐ 1.00m. Los caminos romanostenían cunetas laterales de drenaje, separadas por una fila de losas de la zonaafirmada.

Durante la edad media, los problemas en Europa, la gente deja de usarcarruajes y los caminos romanos se convierten en veredas transitadasúnicamente por peregrinos. La técnica de trazar y construir se detiene.

Construcción de caminos sobre bases científicas

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El Qhapaq Ñan

La longitud total de la red de caminosInca se estima en 23 mil kilómetros.

Según el historiador José Antonio dl Busto, fue Huayna Cápac el Inca que másincrementó la red caminera, completando más de 16 mil kilómetros de caminosdurante su reinado. Los caminos variaban en calidad y tamaño, tal es así que enlas llanuras se pueden ver secciones hasta de 8 metros y en las montañasalgunas menores a 1 metro, aún así vencían la agresividad del escarpadoterreno andino.

Huayna Cápac

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El trabajo para desarrollar pavimentos lo reinicia el Cuerpo de Ingenierosdenominado “Pont et Chausses” en 1716 y Trésaguet en 1775, ambos enFrancia (el primero que legislaba y trazaba nuevos caminos; el otro, queaplicaba procedimientos racionales para el manejo y colocación de materiales),establecen con firmeza los límites de la Ingeniería de Pavimentos.

Alrededor de 1780, Trésaguet en Francia y Telford en el Reino Unidopropusieron un método de construcción fundamentado en una cimentaciónfirme, bien drenada, hecha de piedras largas, limitadas por piedras de tamañoprogresivamente más pequeño, formando una superficie convexa, con lafinalidad que resulte impermeable al agua.

El método comprobó su solidez, sin embargo terminaba siendo muy costosa suconstrucción y mantenimiento.

Reinicio de la Ingeniería de Pavimentos

Reinicio de la Ingeniería de Pavimentos

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• Alrededor de 1820, McAdam, un inglés, depura los trabajos de Trésaguet.Su técnica domina la pavimentación durante casi todo el siglo XIX. Lascalles y caminos ingleses en los años de McAdam son recubiertos conasfaltos naturales. Luego, hacia el 1830, se intenta cambiar el asfaltonatural por alquitrán.

• Fue McAdam quien desarrolló un enfoque notablemente más económicoque los anteriores y el cual se continua usando hasta la actualidad. Esteenfoque requiere un excelente drenaje del subsuelo para mantener elpavimento, y produce una estructura mucho más delgada y económica ensu construcción.

• Fue el primero en implementar la compactación de capas con maquinaria.

McAdam

• Primer pavimento flexible: Asfalto y capas dematerial granular, New Jersey (USA) 1870

• Primer pavimento rígido: Concreto decemento portland y capas de materialgranular, Detroit – Michigan (USA) 1908

Uso de pavimentos

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1.3. Tipos de PavimentosPavimento Flexible

Pavimento Flexible

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Pavimento Rígido

Pavimento Rígido

Tipos de pavimento rígido:

• Pavimento de concreto sin juntas

• Pavimento de Concreto con juntas

• Pavimento de Concreto con Juntas reforzadas

• Pavimento de Concreto con refuerzo continuo

• Pavimento de Concreto Pretensado

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Pavimento de Concreto sin juntas

Pavimento de Concreto con Juntas

Jointed Plain Concrete Pavement (JPCP)

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Pavimento de Concreto con juntas reforzadasJointed Reinforced Concrete Pavement (JRCP)

Pavimento de Concreto con Refuerzo ContinuoContinuously Reinforced Concrete Pavement (CRCP)

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Pavimento de Concreto PreesforzadoPrestressed Concrete Pavement (PCP)

Pavimento Mixto o Articulado

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Pavimento Mixto o Articulado

1.4. Pistas de ensayoPistas de ensayo AASHO (AASHTO)

AASHO Road Test cuya traducción literal al español sería Experimento deCarreteras de la AASHO fue un experimento realizado por la AmericanAssociation of State Highway Officials (hoy AASHTO) para determinarcomo el tráfico contribuye al deterioro del pavimento de las carreteras.Oficialmente, el Road Test era "... para estudiar el rendimiento de lasestructuras pavimentadas de espesor conocido bajo cargas móviles demagnitudes y frecuencias conocidas". Este estudio, llevado a cabo desdelos años 1950 en Ottawa (Illinois‐USA) es la primera fuente de informaciónde datos experimentales relativos al daño que producen los vehículos enlas carreteras, para el propósito de diseñar la carretera, evaluar el coste yla rentabilidad de una vía.

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Pistas de ensayo AASHO (AASHTO)


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El experimento se realizó considerando una vía de seiscarriles, cada carril fue sometido a un tipo de carga específicade vehículo y peso. La variación de la estructura delpavimento y su interacción del tráfico fue estudiado paracada carril.

Los resultados de los experimentos se usaron para desarrollarla guía de diseño de pavimentos, cuya primera edición salióen 1961 como AASHTO Interim Guide for the Design of Rigidand Flexible Pavements.


Los experimentos de carretera de la AASHTO introdujeronalgunos conceptos novedosos en la ingeniería de pavimentos,incluyendo el factor equivalente de carga. Como era deesperar, los vehículos más pesados reducen la vida útil de lospavimentos mucho más que los vehículos ligeros,cumpliéndose la llamada Ley Generalizada de la Fuerza a laCuarta, que explica que el daño realizado por los vehículos es"proporcional a la cuarta potencia del peso del eje". Los otrosresultados del experimento sirvieron para realizar lasnormativas de aseguramiento de calidad para la construcciónde carreteras en Estados Unidos, que están todavía hoyvigentes.

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1.5. Factores para el diseño de los pavimentos

El tránsito

La sub rasante (el apoyo)

El clima

Los materiales disponibles

El tránsito (tipos de vehículos)

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El tránsito

Interesan para el dimensionamiento de los pavimentos lascargas más pesadas por eje (simple, tándem o tridem)esperadas en el carril de diseño (el más solicitado, quedetermina la estructura del pavimento de la carretera)durante el periodo de diseño adoptado. La repetición de lascargas de tránsito y la consecuente acumulación dedeformaciones sobre el pavimento (fatiga) son fundamentalespara el cálculo.

El tránsito

Eje simple:El elemento constituidopor un solo eje noarticulado a otro, puedeser: motriz o no,direccional o no, anterior,central o posterior.

Peso máximo admisiblepara un eje simple de 2neumáticos es de 7000 Kg(15 Kips).

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El tránsito

Eje tándem:Elemento constituido por dos ejes articulados al vehículo por dispositivos comunes, separados por una distancia menor a 2,4 metros. El peso máximo admisible para un eje tándem de 4 neumáticos es de 10000 Kg (22 Kips).

El tránsito

Eje tridem:Elemento constituido por tres ejes articulados al vehículo por dispositivos comunes, separados por una distancia menor a 2,4 metros. El peso máximo admisible para un eje tándem de 6 neumáticos es de 17000 Kg (37 Kips).

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El tránsito

Además, se deben tener en cuenta las máximas presiones decontacto, las solicitaciones tangenciales en tramos especiales(curvas, zonas de frenado y aceleración, etc.), las velocidadesde operación de los vehículos (en especial las lentas en zonasde estacionamiento de vehículos pesados), la canalización detránsito, etc.

La Sub rasante

De la calidad de esta capa depende, en gran parte, el espesorque debe tener un pavimento, sea este flexible o rígido.Como parámetro de evaluación de esta capa se emplea lacapacidad de soporte o resistencia a la deformación poresfuerzo cortante bajo las cargas de tránsito. Es necesariotener en cuenta la sensibilidad del suelo a la humedad, tantoen lo que se refiere a la resistencia como a las eventualesvariaciones de volumen (hinchamiento‐contracción).

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El Clima

Los factores que en nuestro medio más afectan a unpavimento son las lluvias y los cambios de temperatura.

Las lluvias por su acción directa en la elevación del nivelfreático influyen en la resistencia, la compresibilidad y loscambios volumétricos de los suelos de sub rasanteespecialmente. Este parámetro también influye en algunasactividades de construcción tales como el movimiento detierras y la colocación y compactación de capas granulares yde rodadura.

Efectos del agua sobre los pavimentos

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El Clima

Los cambios de temperatura en las losas de pavimentosrígidos ocasionan en estas esfuerzos muy elevados, que enalgunos casos pueden ser superiores a los generados por lascargas de los vehículos que circulan sobre ellas.

El Clima

En los pavimentos flexibles y dado que el asfalto tiene unaalta susceptibilidad térmica, el aumento o la disminución detemperatura, puede ocasionar una modificación sustancial enel módulo de elasticidad de las capas asfálticas, ocasionandoen ellas y bajo condiciones especiales, deformaciones oagrietamientos que influirán en el nivel de servicio de la vía.

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El Clima

Los materiales

Los materiales disponibles son determinantes para laselección de la estructura de pavimento más adecuadatécnica y económicamente. Por una parte, se consideran losagregados disponibles en canteras y depósitos aluviales delárea (son de costo bajo), por otra la disponibilidad de asfaltoy cemento (los ligantes o conglomerantes son de costo alto).

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Los materiales

Además de la calidad requerida, en la que se incluye ladeseada homogeneidad, hay que atender al volumendisponible aprovechable, a las facilidades de explotación y alprecio condicionado en buena medida por la distancia deacarreo.

1.6. Tensiones y deformaciones en los pavimentos

El semi‐espacio homogéneo. Teoría de Boussinesq

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El semi‐espacio homogéneo. Teoría de Boussinesq

2.1 Terreno de fundación, clasificación y propiedades de los suelos

El terreno de fundación a nivel de sub rasante se evalúa mediante elCBR o California Bearing Ratio (Relación de Soporte California),desarrollado al final de 1920. Su propósito es medir la cantidad decarga que el suelo puede soportar adecuadamente desde el punto devista de los pavimentos.

Un CBR más alto permite un pavimento con mejor fundación, base y/osub base de capas más delgadas y por lo tanto menores costos.

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Ensayo CBR

• Cuando evalúas el CBR de un suelo, como una sub‐rasante de pavimento, ellaboratorista tratará de emular lo más próximamente las condiciones del suelo ensitio, y así obtener el CBR del suelo que mejor represente tal situación, según lanorma ASTM.

• En cambio, cuando diseñas un suelo lo que busca el proyectista es, dado undeterminado suelo candidato, encontrar la combinación de condiciones óptimas deconfinamiento, grado de compactación, grado de saturación, para alcanzar laresistencia requerida por el proyecto, ya sea como material de base o sub‐base depavimento, o como relleno estructural, también según la norma ASTM que tienevarias opciones abiertas dando libertad al proyectista para explorar y sacar elmáximo provecho posible al suelo estudiado.

• Es como en el ajedrez, un experto puede evaluar una posición que existe (como lade la figura) y valorarla (quién tiene la ventaja, balance de material, iniciativa,fortaleza de la estructura de peones, etc.), o bien puede diseñar una posición(obviamente favorable) para intentar llegar a ella después de varias jugadas apartir de un sistema de apertura determinado.

Limitaciones del ensayo CBR

Limitaciones del ensayo

• La siguiente es una lista no exhaustiva de limitaciones que tiene el CBR y quesuscitan la mayoría de las críticas a este ensayo:

• El valor de CBR no comporta, per se, un parámetro geomecánico, aunque estáasociado a múltiples correlaciones y métodos semiempíricos de diseño depavimentos.

• Durante el ensayo bajo condición de 4 días de inmersión no es posible controlarel grado de saturación del suelo. El espécimen es sacado del agua y dejadoescurrir por 15 minutos antes de ser ensayado. Este escurrimiento incrementa lasucción en el suelo de forma descontrolada, lo que da lugar a resultadossesgados.

• La gráfica densidad versus CBR recomendada en el procedimiento ASTM paraobtener el CBR de diseño del suelo no es, por definición, una curva de diseño. Portanto, en el sentido estricto, no debería ser usada para diseñar el suelocompactado. De hacerse se obtendrían resultados sesgados ya que no hay formade asegurar que todos los especímenes pertenecientes a la gráfica tienen elmismo grado de saturación.

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Módulo Resiliente• Cuando un vehículo circula sobre el pavimento, los neumáticos transmiten cargas que son

absorbidas por la estructura, entonces un elemento diferencial de suelo ubicado en la subrasante, esta sometido a esfuerzos que a su vez inducen un estado de deformaciones. Si seconsidera al material de sub rasante, con un comportamiento elástico, isótropo y homogéneo,hipótesis básicas de la mecánica de suelos, los esfuerzos y las deformaciones se relacionaráncon el módulo de elasticidad y la relación de Poisson, propios del material.

• Pero la respuesta real, está en función de las características propias de los materiales queconforman el pavimento y donde las cargas impuestas por el tránsito tienen un carácterdinámico con muy cortos tiempos de aplicación. Luego la deformación total inducida, serecupera al cesar la carga aplicada.

Módulo Resiliente

• Esto implica, que en estricto rigor, los materiales no presentan un comportamientoelástico, y por ello se introduce el término Módulo Resiliente, que corresponde a un“módulo elástico supuesto”, el cual relaciona las solicitaciones de cargas aplicadascon las deformaciones recuperables.

• El método de diseño de pavimentos flexibles propuesto por AASHTO, contempla elMR, como parámetro para representar la capacidad de soporte de los materiales defundación del pavimento. Este se determinó mediante la ejecución de ensayostriaxiales dinámicos en muestras sometidas a cargas repetidas, lo cual seinterrelaciona con la recomendación de la guía en lo referido a la determinación delparámetro indicado.

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Número de ensayos de MR y CBR

Fuente: Manual de Suelos, Geología, Geotecnia y Pavimentos

Ensayo de Próctor Normal y Próctor Modificado

• Con los ensayos se pretende determinar los parámetros óptimos decompactación, lo cual asegurará las propiedades necesarias para elproyecto de fundación. Esto se traduce en determinar cuál es lahumedad que se requiere, con una energía de compactación dada, paraobtener la densidad seca máxima que se puede conseguir para undeterminado suelo. La humedad que se busca es definida comohumedad óptima y es con ella que se alcanza la máxima densidad seca,para la energía de compactación dada. Se define igualmente comodensidad seca máxima aquella que se consigue para la humedadóptima.

• Es comprobado que el suelo se compacta a la medida en que aumentasu humedad, la densidad seca va aumentando hasta llegar a un puntode máximo, cuya humedad es la óptima.

• A partir de este punto, cualquier aumento de humedad no supone mayordensidad seca a no ser, por lo contrario, uno reducción de esta.

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• Los análisis son realizados en laboratorio por medio de probetas decompactación a las cuales se agrega agua. Los ensayos más importantesson el Próctor Normal o estándar y el Próctor modificado. En ambosanálisis son usadas porciones de la muestra de suelo mezclándolas concantidades distintas de agua, colocándolas en un molde ycompactándolas con una masa, anotando las humedades y densidadessecas correspondientes. En poder de estos parámetros, humedad/densidad seca (humedad en %), se colocan los valores conseguidos en ungráfico cartesiano donde la abscisa corresponde a la humedad y laordenada a la densidad seca. Es así posible diseñar una curva suave yconseguir el punto donde se produce un máximo al cual corresponda ladensidad seca máxima y la humedad óptima.


Objetivos

• Este método de ensayo se emplea para la determinación rápida del peso unitario máximo y de la humedad óptima de una muestra de suelo empleando una familia de curvas y un punto.

• El índice que se obtiene, se utiliza para evaluar la capacidad de soporte de los suelos de sub rasante y de las capas de base, sub base y de afirmado.

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Diferencia entre Próctor Estándar y Modificado

• La diferencia básica entre el ensayo Próctor Normal y el Modificado es la energía de compactación usada.

• En el Normal se hace caer un peso de 2.5 kilogramos de una altura de 30 centímetros, compactando la tierra en 3 camadas con 25 golpes y, en el Modificado, un peso de 5 kilogramo de una altura de 45 centímetros, compactando la tierra en 5 camadas con 50 golpes.

La compactación

• Es un proceso repetitivo, cuyo objetivo es conseguir una densidadespecífica para una relación óptima de agua, al fin de garantizar lascaracterísticas mecánicas necesarias del suelo. En primer lugar se lanzasobre el suelo natural existente, generalmente en camadas sucesivas, unterreno con granulometría adecuada; a seguir se modifica su humedadpor medio de aeración o de adición de agua y, finalmente, se letransmite energía de compactación por el medio de golpes o de presión.Para esto se utilizan diversos tipos de máquinas, generalmente rodilloslisos, neumáticos, pie de cabra, vibratorios, etc., en función del tipo desuelo y, muchas veces, de su accesibilidad.

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Beneficios de la compactación

• Aumenta la capacidad para soportar cargas.

• Impide el hundimiento del suelo.

• Reduce el escurrimiento del agua.

• Reduce el esponjamiento y la contracción del suelo.

• Impide los daños de las heladas.

Número de calicatas para exploración de suelos


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Signos convencionales para perfil de calicatas ‐ AASHTO


Clasificación de suelos basada en AASHTO


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Signos convencionales para perfil de calicatas ‐ SUCS


Signos convencionales para perfil de calicatas ‐ SUCS


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Correlación de tipos de suelos AASHTO ‐ SUCS

Fuente: US Army Corps of Engineers

Categorías de la sub rasante


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Correlaciones típicas entre las clasificaciones y el Módulo Resiliente

Fuente: Mechanistic‐EmpiricalPavement Design Guide

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