Top Banner
DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO LINA MERCEDES MONSALVE ESCOBAR LAURA CRISTINA GIRALDO VASQUEZ JESSYCA MAYA GAVIRIA 2012
145

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo.....

Feb 01, 2018

Download

Documents

lamnguyet
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

1

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO

LINA MERCEDES MONSALVE ESCOBAR LAURA CRISTINA GIRALDO VASQUEZ JESSYCA MAYA GAVIRIA

2012

Page 2: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

2

DISEÑO DE PAVIMENTO FLLEXIBLE Y RIGIDO

LINA MERCEDES MONSALVE ESCOBAR LAURA CRISTINA GIRALDO VASQUEZ

JESSYCA MAYA GAVIRIA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

Armenia 2012

Page 3: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

3

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO

LINA MERCEDES MONSALVE ESCOBAR – 1094914262 LAURA CRISTINA GIRALDO VASQUEZ – 1094922194

JESSYCA MAYA GAVIRIA – 41954362

REVISADO POR: ING. MARIA ROSA GUZMAN MELENDEZ TITULAR DE LA ASIGNATURA DE PAVIMENTOS

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

Armenia 2012

Page 4: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

4

TABLA DE CONTENIDO

PAG.

1. INTRODUCCIÓN 10

2. OBJETIVOS 11

2.1. Objetivo General 11

2.2. Objetivos Específicos 11

3. JUSTIFICACIÓN 12

4. ALCANCE 13

5. METODOLOGÍA 14

5.1. Método AASHTO para el diseño de pavimentos flexibles 14

5.2. Método racional para el diseño de pavimentos flexibles 14

5.3. Método de la Portland Cement Association (PCA) 15

6. MARCO TEÓRICO 16

6.1. Estudios geotécnicos 16

6.1.1. Caracterización geotécnica 16

6.1.1.1. Tamaño de las partículas de suelo 16

6.1.1.2. Curva de distribución granulométrica 17

6.1.1.3. Consistencia del suelo 18

6.1.1.4. Clasificación del suelo 18

6.2. Pavimentos 21

6.2.1. Clasificación de los pavimentos 22 6.3. Diseño Marshall 26 6.4. Diseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27

6.5. Tránsito 28

6.5.1. Cálculo del tránsito de acuerdo al manual de diseño de pavimentos

asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito (INVIAS)

28

6.5.1.1. Niveles de tránsito 29

6.5.1.2. Componentes de tránsito 30

6.5.1.3. Determinación del nivel de confianza en la proyección del tránsito 30

6.5.1.4. Conversión de vehículos a ejes equivalentes de 8.2 ton. Factores

de daño por tipo de vehículo

30

6.5.1.5. Tránsito en el carril de diseño en función de ancho de la calzada.

Factor direccional (Fd)

31

6.5.1.6. Tránsito acumulado en ejes equivalentes de 8.2 ton, en el carril

de diseño durante el periodo de diseño

31

6.5.1.6.1. Pronóstico de la componente de tránsito normal 31

6.5.1.7. Pronóstico de la componente de tránsito atraído 34

6.5.1.8. Pronóstico de la componente de tránsito generado 34

6.5.2. Cálculo del tránsito de acuerdo al manual de diseño de pavimentos de

concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de tránsito

(INVIAS)

35

6.5.2.1. Factor camión (Fc) 38

6.5.2.2. Cuantificación del tránsito en una vía 38

6.5.2.2.1. Tránsito promedio diario (TPD) 38

Page 5: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

5

6.5.2.2.2. Periodo de diseño y vida útil 38

6.5.2.3. Clasificación de las vías 39

6.5.2.4. Asignación del tránsito según las características y el ancho de la

vía

39

6.5.2.5. Porcentaje de vehículos para el carril de diseño 39

6.6. Ensayo California Bearing Ratio (CBR) 40

6.7. Modulo resiliente 41

6.8. Modulo de reacción de la subrasante 42

6.9. Modulo dinámico Witczak 43

6.10. Leyes de Fatiga 44

7. DESARROLLO PRÁCTICO 47

7.1. Descripción de la vía 47

7.2. Estudio de tránsito 48

7.2.1. Tránsito pavimento flexible 48

7.2.2. Tránsito pavimento rígido 60

7.3. Evaluación de suelos 68

7.3.1. Magnitud del estudio 68

7.3.1.1. Trabajo de campo 68

7.3.1.2. Características de los sondeos 68

7.3.1.3. Perfil estratigráfico 73

7.4. Caracterización estructura del pavimento 75

7.4.1. Subrasante 75

7.4.2. Subbase 76

7.4.3. Base 77

7.4.4. Carpeta asfáltica 78

7.5. Diseño del pavimento flexible 82

7.5.1. Método AASHTO 82

7.5.2. Método racional 89

7.6. Diseño de pavimento rígido 94

7.6.1. Diseño de pavimento rígido mediante el método PCA 94

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 100

9. ANEXOS

Page 6: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

6

LISTA DE TABLAS

PAG. Tabla 1. Límites de tamaño de suelos separados 17 Tabla 2. Sistema unificado de clasificación; símbolos de grupo para suelos arenosos

19

Tabla 3. Sistema unificado de clasificación, símbolos de grupo para suelos limosos y arcillosos

20

Tabla 4. Niveles de tránsito 28 Tabla 5. Factor daño por tipo de vehículo 30 Tabla 6. Tránsito por adoptar para el diseño según el ancho de la calzada. Factor direccional (Fd)

30

Tabla 7. Valores del parámetro Zr (suponiendo una distribución normal) 31 Tabla 8. Porcentaje de tránsito generado como función del tránsito normal 34 Tabla 9. Máximo peso por eje para los vehículos de transporte de carga 34 Tabla 10. Carga máxima admisible por vehículo 37 Tabla 11. Cargas patrón y exponenciales para el cálculo del Factor de equivalencia

38

Tabla 12. Clasificación de las vías 39 Tabla 13. Porcentaje de vehículos para el carril de diseño 40 Tabla 14. Valores de esfuerzo en la muestra patrón 41 Tabla 15. Clasificación del suelo de acuerdo a los valores de CBR 41 Tabla 16. Periodo de diseño (en años) recomendado 49 Tabla 17. Serie histórica y composición del tránsito promedio diario semanal (TPDS) de la vía Santander de Quilichao – Te de Villa Rica, estación 284

51

Tabla 18. Camiones de conteo total semanal y distribución porcentual, año 2008 51 Tabla 19. Factor direccional 53 Tabla 20. Factor carril para vías con diferentes números de carriles 53 Tabla 21. Factor daño por tipo de vehículo 54 Tabla 22. Valores de tránsito equivalente diario 54 Tabla 23. Valores de tránsito equivalente diario calculado 56 Tabla 24. Cálculo de la sumatoria de las diferencias al cuadrado de cada año de la serie histórica y el año medio de dicha serie histórica

57

Tabla 25. Error pronóstico para cada uno de los años del periodo de diseño 57 Tabla 26. Valores del parámetro Zr que asegura el nivel de confianza deseado 58 Tabla 27. Valores de corrección para cada año del periodo de diseño 58 Tabla 28. Ejes equivalentes para todos los años del periodo de diseño con confiabilidad del 90%

59

Tabla 29. Datos históricos de tránsito (estación 284) 59 Tabla 30. Corrección de datos históricos 61 Tabla 31. Tránsito promedio diario semanal (TPDS) calculado 62 Tabla 32. Cálculo de la sumatoria de las diferencias al cuadrado de cada año de

la serie histórica y el año medio de dicha serie histórica

63

Tabla 33. Error de pronóstico para cada uno de los años del periodo de diseño 64

Tabla 34. Valores del parámetro Zr que asegura el nivel de confianza deseado 65

Page 7: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

7

Tabla 35. Valores de corrección para cada año del periodo de diseño 65

Tabla 36. Ejes equivalentes para todos los años del periodo de diseño, con

confiabilidad del 90%

66

Tabla 37. Número de repeticiones de carga 67

Tabla 38. Categorías de subrasante 75

Tabla 39. Datos de entrada para el método de la AASHTO 83

Tabla 40. Niveles de confiabilidad recomendada por AASHTO 83

Tabla 41. Capacidad del drenaje para remover la humedad 84

Tabla 42. Valores mi recomendados para modificar los coeficientes estructurales

de capa bases y subbases sin tratamiento

84

Tabla 43. Datos para calcular espesores por método AASHTO 87

Tabla 44. Espesores mínimos admisibles para las capas asfálticas y la base

granular

87

Tabla 45. Espesores pavimento flexible AASHTO 89

Tabla 46. Características de las capas de la estructura del pavimento asfáltico 89

Tabla 47. Coeficientes de Calage 91

Tabla 48. Características de las capas de la estructura del pavimento asfáltico 92

Tabla 49. Comparación de las deformaciones calculadas con las admisibles 94

Tabla 50. Influencia del espesor de la base en el valor de k 96

Tabla 51. Resistencia que debe alcanzar el concreto 96

Page 8: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

8

LISTA DE FIGURAS

PAG. Figura 1. Curvas de distribución del tamaño de partículas (curvas granulométricas)

17

Figura 2. Carta de plasticidad 21 Figura 3. Estructura típica de un pavimento asfáltico (flexible) 22 Figura 4. Estructura típica de un pavimento rígido 23 Figura 5. Estructura típica de un pavimento articulado 23 Figura 6. Esquema de clasificación de vehículos 29 Figura 7. Representación esquemática de los vehículos de transporte de carga más comunes en el país

35

Figura 8. Esquematización de los diferentes tipos de ejes y su carga máxima 36 Figura 9. Porcentaje de camiones en el carril de diseño 40 Figura 10. Esquema de clasificación de vehículos 49 Figura 11. Localización estaciones de conteo. Estación 284 50 Figura 12. Perfil estratigráfico 73 Figura 13. Nomograma para calcular el coeficiente estructural de la subbase granular

76

Figura 14. Nomograma para calcular coeficiente estructural de la base granular 77 Figura 15. Indice de penetración nomogramas Van Der Poel 78 Figura 16. Temperatura de mezcla 79 Figura 17. Nomograma para el cálculo del modulo de rigidez de la carpeta asfáltica

80

Figura 18. Nomograma para el calculo del modulo de rigidez de la carpeta asfáltica

81

Figura 19. Coeficiente estructural de la carpeta asfáltica 82 Figura 20. Relación entre la clasificación del suelo y los valores de CBR y K 95 Figura 21. Diseño de pavimento rígido espesor 263 (mm) 97 Figura 22. Repeticiones esperadas de ejes simples 97 Figura 23. Repeticiones esperadas de ejes tándem 98 Figura 24. Repeticiones esperadas de ejes tridem 98

Page 9: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

9

LISTA DE IMÁGENES

PAG.

Imagen 1. Ubicación vía de estudio 47

Imagen 2. Vía Santander de Quilichao – Te de Villa Rica 48

Imagen 3. Número estructural 85

Imagen 4. Número estructural carpeta asfáltica (SN1) 85

Imagen 5. Número estructural carpeta asfáltica y base (SN2) 86

Imagen 6. Número estructural carpeta asfáltica, base y subbase (SN3) 86

Imagen 7. Determinación de esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV

para la estructura diseñada

89

Imagen 8. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada

90

Imagen 9. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada

90

Imagen 10. Determinación de esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada

92

Imagen 11. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada

93

Imagen 12. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada

93

LISTA DE GRÁFICOS

PAG.

Grafico 1. Variación histórica de autos 51

Grafico 2. Variación histórica de buses 52

Grafico 3. Variación histórica de camiones 52

Grafico 4. Modelos de regresión 55

Grafico 5. Tránsito equivalente diario del periodo de diseño con confiabilidad de

90%

59

Grafico 6. Regresión lineal de la serie histórica del tránsito 61

Grafico 7. Regresión lineal de la serie histórica cde tránsito corregida 62

Grafico 8. Transito equivalente diario del periodo de diseño con confiabilidad de

90%

67

Page 10: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

10

1. INTRODUCCION

El Municipio de Santander de Quilichao, está ubicado en Colombia, en el sector Norte del

Departamento del Cauca, a 97 Km al norte de Popayán y a 45 Km al Sur de Santiago de

Cali, Valle del Cauca Este sector de gran importancia para la comunicación ya que

corresponde a una vía indepartamental y municipal, lo que la convierte en una red vial de

gran importante para la economía y el desarrollo del país.

Para garantizar que la vía ofrezca un nivel de serviciabilidad adecuado que genere

bienestar, confort y seguridad tanto al comercio, al turismo y al transporte urbano, es

necesaria una vía que se encuentre en buen estado y que se ajuste a las condiciones

tanto del tránsito, nivel de importancia y tipo de terreno.

Con el objetivo de conseguir una vía que se acomode a las condiciones a la cuales es

sometida, se realiza un estudio para el diseño de una pavimento flexible con el método de

la AASHTO y el método racional, junto con un estudio de pavimento rígido por el método

de la PCA.

El presente informe tiene como objetivo mostrar los diseños de los pavimentos rígidos

para un periodo de diseño de y flexibles con un periodo de diseño de 20 años, para el

municipio Santander de Quilichao con un periodo de diseño, que permitan sustituir el

actual pavimento que no presenta condiciones adecuadas. Para esto l se hace necesario

un análisis del tránsito proyectado a un periodo de diseño de 20 años con conversión del

tránsito a ejes equivalentes , un estudio de geotécnico el cual se hace por medio de una

caracterización de los apiques que permiten determinar las condiciones de las

subrasante, incluyendo ensayos de consistencia, granulometría, CBR.

Page 11: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

11

2. OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GENERAL

Diseñar una estructura de pavimento rígido y flexible para 17 Km de la vía que conduce de Santander de Quilichao – Te de Villa Rica.

2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

Determinar las condiciones geotécnicas del terreno por medio de ensayos y

análisis del suelo.

Por medio de apiques caracterizar la subrasante y las capas del terreno.

Determinar el tipo transito, volumen y las cargas a las que el pavimento será

sometido durante el periodo de diseño.

Determinar los espesores de las capas del pavimento, por medio de los diferentes

métodos de la AASHTO, método racional, Marshall Shell y PCA

Determinar los materiales del diseño de pavimentos.

Page 12: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

12

3. JUSTIFICACIÓN

El proyecto de diseño de la vía Santander de Quilichao – Te de Villa Rica, se realizara con

el fin de mejorar las condiciones de comunicación intermunicipal en el departamento del

Cauca, e interdepartamental con el departamento del Valle del Cauca, debido a que es una

ruta de gran importancia para el desarrollo económico del departamento.

Una evaluación funcional realizada al pavimento existente en el tramo de vía, hace notoria

la necesidad de realizar una evaluación estructural del mismo. De la evaluación estructural

se determinó, que la estructura existente presenta elevados índices de deterioro y no posee

vida residual; por lo que se recomienda la reconstrucción total, y la realización de un nuevo

diseño de pavimento, que proporcione seguridad y comodidad a los habitantes de la zona.

Page 13: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

13

4. ALCANCE

El proyecto comprende el diseño de la estructura de pavimento para El proyecto

comprende el diseño de la estructura de pavimento para 17 Km de la vía que conduce de

Santander de Quilichao – Te de Villa Rica.

El diseño consiste en un pavimento flexible por los métodos de la AASHTO y racional, y un

pavimento rígido por el método PCA (Portland Cement Association). Los lineamientos que

se consideran para el diseño corresponden a los consignados en los manuales de diseño

de pavimentos del Instituto Nacional de Vías (INVIAS), para la realización de los estudios

de suelos, tránsito y la caracterización de la subrasante.

Para el diseño de la nueva estructura de pavimento no se modifica el diseño geométrico de

la vía, ni las características del tránsito de la misma.

Page 14: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

14

5. METODOLOGÍA

5.1. MÉTODO AASHTO PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

El método AASHTO-1993 para el diseño de pavimentos flexibles, se basa

primordialmente en identificar un “número estructural (SN)” para el pavimento, que pueda

soportar el nivel de carga solicitado. Para determinar el número estructural, el método se

apoya en una ecuación que relaciona los coeficientes , con sus respectivos números

estructurales, los cuales se calculan con ayuda de un software, (AASHTO 93) el cual

requiere unos datos de entrada como son el número de ejes equivalentes, el rango de

serviciabilidad, la confiabilidad y el modulo Resiliente de la capa a analizar; esta ecuación

se relaciona a continuación:

Donde:

5.2. MÉTODO RACIONAL PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE

El método racional consiste en asumir unos espesores para cada una de las capas de la

estructura del pavimento. A partir del módulo resiliente y los espesores asumidos, se

caracterizan dichas capas. El módulo resiliente se obtiene mediante la siguiente relación:

Donde:

El método racional, al igual que el método de la AASHTO, se apoyan en modelos

computacionales, para determinar las deformaciones de la estructura del pavimento ante

las cargas de diseño. Para el método racional se usará el DEPAV y se compararán los

resultados obtenidos, con las leyes de fatiga.

Page 15: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

15

5.3. MÉTODO DE LA PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (PCA)

El propósito de este método al igual que el de los anteriores es determinar los espesores

mínimos de pavimento que permiten optimizar costos en una obra.

Este método consiste en una hoja de cálculo que reúne una serie de datos para el análisis

de la estructura por fatiga y por erosión. El análisis de fatiga se basa en el cálculo de

esfuerzos por caga en el borde de las losas y el análisis de erosión se basa en que la

deflexión mas critica ocurre en la esquina de la losa.

Page 16: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

16

6. MARCO TEÓRICO

6.1. ESTUDIOS GEOTECNICOS

Al evaluar un pavimento existente la exploración del suelo y los ensayos de laboratorio

realizados a los distintos materiales utilizados en las capas del pavimento juegan un papel

muy importante, debido a que éstos proporcionan información de gran valor a la hora de

tomar decisiones con respecto al estado en que se encuentran los materiales de la

estructura de pavimento.

Para la obtención de la información geotécnica básica de las propiedades del suelo,

deben efectuarse ensayos de campo y laboratorio que determinen su distribución y

propiedades físicas. Una investigación de suelos debe comprender:

Determinación del perfil del suelo: La cual consiste en ejecutar perforaciones en el

terreno, con el objeto de determinar la cantidad y extensión de los diferentes tipos

del suelo, la forma como estos están dispuestos en capas y la determinación de

aguas freáticas. Lógicamente, la ubicación, profundidad y número de perforaciones

deben ser tales que permitan determinar toda variación importante de la calidad de

los suelos.

Toma de muestras de las diferentes capas de suelos: En cada perforación deberá

tomarse muestras representativas de las diferentes capas encontradas. Las

muestras pueden ser de dos tipos: Alteradas e inalteradas.

En vías se recomienda hacer sondeos con espaciamientos entre 350 y 600 m, teniendo

en cuenta las semejanzas del material a partir de uno de los cortes presentes.

En general, las muestras obtenidas sirven para determinar las propiedades y clasificación

del material extraído valiéndose de los siguientes ensayos:

Humedad natural

Granulometría

Limites de consistencia.

Humedad Natural

6.1.1. CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA

6.1.1.1. Tamaño de las partículas de suelos

Los tamaños de las partículas que conforman un suelo, varían en un amplio rango. Los suelos, en general, son llamados grava, arena, limo o arcillas, dependiendo del tamaño predominante de las partículas. La tabla 1 muestra los límites de tamaño de suelo

Page 17: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

17

separado desarrollados por el Instituto tecnológico de Massachusetts y la Asociación de Funcionarios del Transporte y Carreteras Estatales (AASHTO).

Tabla 1. Límites de tamaño de suelos separados

Nombre de la organización Tamaño del grano (mm)

Grava Arena Limo Arcilla

Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT)

>2 2 a 0.06 0.06 a 0.002 <0.002

Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA)

>2 2 a 0.05 0.05 a 0.002 <0.002

Asociación Americana de Funcionarios del Transporte y

Carreteras Estatales (AASHTO) 76.2 a 2 2 a 0.075 0.075 a 0.002 <0.002

Sistema unificado de clasificación de suelos (U.S. Army Corps of

Engineers; U.S. Bureau of Reclamation; American Society

for Testing and Materials)

76.2 a 4.75 4.75 a 0.075

Finos (limos y arcillas) <0.075

6.1.1.2. Curva de distribución granulométrica

Los resultados del análisis mecánico se presentan generalmente en graficas semilogaritmicas como curvas de distribución granulométrica. Los diámetros de las partículas se grafican en escala logarítmica y el porcentaje correspondiente de finos en escala aritmética.

Figura 1. Curvas de distribución del tamaño de partículas (curvas granulométricas)

Page 18: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

18

6.1.1.3. Consistencia del suelo

Albert Mauritz Atterberg desarrollo un método para describir la consistencia de los suelos

de grano fino con contenidos de agua variables a muy bajo contenido de agua, el suelo se

comporta mas como un sólido frágil. Cuando el contenido de agua es muy alto, el suelo y

el agua fluyen como un líquido. Por tanto, dependiendo del contenido de agua, la

naturaleza del comportamiento del suelo se clasifica arbitrariamente en cuatro estados

básicos, denominados sólidos, semisólido, plásticos y liquido.

Limite liquido (LL): Se define como el contenido de agua de un suelo fino, para el

cual su resistencia al corte es aproximadamente de 25 g/cm2

Limite platico (PL): Se define como el contenido de agua, en porcentaje, con el

cual el suelo, al ser enrollado en rollitos de 3.2 mm de diámetro, se desmorona. Es

el límite inferior de la etapa plástica del suelo.

Limite de contracción (SL): La masa de suelo se contrae conforme se pierde

gradualmente el agua del suelo. Con una pérdida continua de agua, se alcanza

una etapa de equilibrio en la que más pérdida de agua conducirá a que no haya

cambio de volumen.

6.1.1.4. Clasificación del suelo

Los suelos con propiedades similares se clasifican en grupos y subgrupos basados en su

comportamiento ingenieril. Los sistemas de clasificación proporcionan un lenguaje común

para expresar en forma concisa las características generales de los suelos, que son

infinitamente variadas sin una descripción detallada. Actualmente, dos sistemas de

clasificación que usan la distribución por tamaño de grano y plasticidad de los suelos son

usados comúnmente por los ingenieros de suelos. Estos son el sistema de clasificación

AASHTO y el sistema unificado de clasificación de suelos. Los ingenieros geotécnicos

usualmente prefieren el sistema unificado.

Sistema unificado de clasificación de suelos

La forma original de este sistema fue propuesto por Casagrande en 1942 para usar en la

construcción de aeropuertos emprendida por el cuerpo de ingenieros del ejército durante

la según guerra mundial. El sistema unificado de clasificación se presenta en las

siguientes tablas; clasifica los suelos en dos amplias categorías:

Page 19: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

19

1. Suelos de grano grueso, tipo grava o arenosos con menos del 50% pasando por

la malla No. 200. Los símbolos de grupo comienzan con un prefijo G o S.G

significa grava o suelo gravoso y S significa arena o suelo arenoso.

2. Suelos de grano fino, con el 50% o más pasando por la malla No. 200. Los

símbolos de grupos comienzan con un prefijo M, que significa limo inorgánico, C

para arcilla inorgánica u O para limos y arcillas orgánicos. El símbolo Pt se usa

para turbas, lodos y otros suelos altamente orgánicos.

Otros símbolos son también usados para la clasificación:

W: bien graduado

P: mal gradado

L: baja plasticidad (limite liquido menor que 50)

H: alta plasticidad (limite liquido mayor que 50)

Tabla 2. Sistema unificado de Clasificación; símbolos de grupo para suelos arenosos

Page 20: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

20

Tabla 3. Sistema unificado de Clasificación, símbolos de grupo para suelos limosos y

arcillosos

Para la clasificación apropiada con este sistema, debe conocerse algo o todo de la

información siguiente:

1. Porcentaje de grava, es decir, la fracción que pasa la malla de 76.2 mm y es

retenido en la malla No. 4 (abertura de 4.75mm)

2. Porcentaje de arena, es decir, la fracción que pasa la malla No. 4 (abertura de

4.75mm) y es retenido en la malla, No. 200 (abertura de 0.075mm)

3. Porcentaje de limo y arcilla, es decir, la fracción de finos que pasan la malla No.

200 (abertura de 0.075 mm)

4. Coeficiente de uniformidad (Cu) y coeficiente de curvatura (Cz)

5. Limite líquido e índice de plasticidad de la porción de suelo que pasa la malla No.

40.

Los símbolos de grupo para suelos tipo grava de grano grueso son GW, GP, GM, GC,

GC-GM, GW-GM, GW-GC, GP-GM, y GP-GC. Similarmente, los símbolos de grupos para

suelos de grano fino son CL, ML, OL, CH, MH, OH, CL-ML y Pt.

Page 21: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

21

Figura 2. Carta de plasticidad

6.2. PAVIMENTOS

Un pavimento está constituido por un conjunto de capas superpuestas, relativamente

horizontales, que se diseñan y constituyen técnicamente con materiales apropiados y

adecuadamente compactados. Estas estructuras estratificadas se apoyan sobre la

subrasante de una vía obtenida por el movimiento de tierras en el proceso de exploración

y que han de resistir adecuadamente los esfuerzos que las cargas repetidas del tránsito le

transmiten durante el periodo para el cual fue diseñada la estructura del pavimento. Un

pavimento debe cumplir adecuadamente sus funciones deben reunir los siguientes

parámetros:

Ser resistente a la acción de las cargas impuestas por el transito

Ser resistente ante los agentes de intemperismo

Presentar una textura superficial adaptada a las velocidades previstas de

circulación de los vehículos, por cuanto ella tiene una decisiva influencia en la

seguridad vial. Además debe ser resistente al desgaste producido por el efecto

abrasivo de las llantas de los vehículos.

Page 22: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

22

Debe presentar una regularidad superficial, tanto transversal como longitudinal,

que permitan una adecuada comodidad a los usuarios en función de las longitudes

de onda de las deformaciones y de la velocidad de circulación.

Debe ser durable

Debe ser económico

El ruido de rodadura, en el interior de los vehículos que afectan al usuario, así

como en el exterior, que influyen en el entorno, deber ser adecuadamente

moderado.

Deber poseer el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramiento y ofrecer

una adecuada seguridad al tránsito.

6.2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS PAVIMENTOS

En nuestro medio los pavimentos se clasifican en: pavimentos flexibles, semirrígido,

rígidos y articulados.

Pavimentos flexibles: Este tipo de pavimentos están formados por una carpeta

bituminosa apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, la base y la subbase. No

obstante puede prescindirse de cualquiera de estas dependencias de las necesidades

particulares de cada obra.

Figura 3. Estructura típica de un pavimento asfáltico (flexible)

Pavimento semirrígido: Aunque este tipo de pavimentos guarda básicamente la misma

estructura de un pavimento flexible, una de sus capas se encuentra rigidizada

artificialmente con un aditivo que puede ser: asfalto, emulsión, cemento, cal y químicos. El

empleo de estos aditivos tiene la finalidad básica de corregir o modificar las propiedades

mecánicas de los materiales locales que no son aptos para la construcción de las capas

del pavimento, teniendo en cuenta que los adecuados se encuentran a distancias tales

que encarecerían notablemente los costos de construcción.

Page 23: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

23

Pavimento rígido: son aquellos que fundamentalmente están constituidos por una losa

de concreto hidráulico, apoyada sobre la subrasante o sobre una capa, de material

seleccionado, la cual se denomina subbase del pavimento rígido. Debido a la alta rigidez

del concreto hidráulico así como de su elevado coeficiente de elasticidad, la distribución

de los esfuerzos se produce en una zona muy amplia. Además como el concreto es capaz

de resistir, en ciertos grados, esfuerzos a la tensión, el comportamiento de un pavimento

rígido es suficientemente satisfactorio aun cuando existan zonas débiles en la subrasante.

La capacidad estructural de un pavimento rígido depende de la resistencia de las losas y

por lo tanto, el apoyo de las capas subyacentes ejerce poca influencia en el diseño del

espesor del pavimento.

Figura 4. Estructura típica de un pavimento rígido

Pavimento articulado: los pavimentos articulados están compuestos por una capa de

rodadura que está elaborada con bloques de concreto prefabricado, llamados adoquines,

de espesor uniforme e iguales entre sí. Esta puede ir sobre una capa delgada de arena la

cual, a su vez, se apoya sobre la capa de base granular o directamente sobre la

subrasante, dependiendo de la calidad de esta y de la magnitud y frecuencia de las

cargas por dicho pavimento.

Figura 5. Estructura típica de un pavimento articulado

Page 24: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

24

Funciones de las capas de un pavimento flexible:

Subbase granular

Capa de transición: la subbase bien diseñada impide la penetración de los

materiales que constituyen la base con los de la subrasante y por otra parte,

actúa como filtro de la base impidiendo que los finos de la subrasante la

contaminen menoscabando su calidad.

Disminución de la deformación: algunos cambios volumétricos de la capa

subrasante, generalmente asociados a cambios en su contenido de agua

(expansiones), o a cambios externos de temperatura, pueden absorberse con

la capa subbase, impidiendo que dichas deformaciones se reflejen en la

superficie de rodamiento.

Resistencia: la subbase debe soportar los esfuerzos transmitidos por las

cargas de los vehículos a través de las capas superiores y transmitidas a un

nivel adecuado de la subrasante.

Base granular

Resistencia: la función fundamental de la base granular de un pavimento

consiste en proporcionar un elemento resistente que transmita a la subbase y a

la subrasante los esfuerzos producidos por el transito en una intensidad

apropiada.

Carpeta Asfáltica

Page 25: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

25

Superficie de rodadura: la carpeta debe proporcionar una superficie uniforme y

estable al tránsito, de textura y color conveniente y resistir los efectos

abrasivos del tránsito.

Resistencia: su resistencia a la tensión complementa la capacidad estructural

del pavimento.

Impermeabilidad: hasta donde sea posible, debe impedir el paso del agua al

interior del pavimento.

Funciones de las capas de un pavimento rígido.

Subbase

La función más importante es impedir la acción del bombeo en las juntas,

grietas y extremos del pavimento. Se entiende por bombeo a la fluencia de

materiales fino con agua fuera de la estructura del pavimento, debido a la

infiltración de agua por las juntas de las losas. El agua que penetra a través de

las juntas licua el suelo fino de la subrasante facilitando así su evacuación a la

superficie bajo la presión ejercida por las cargas circulantes a través de las

losas.

Servir como capa de transición y suministrar un apoyo uniforme, estable y

permanente del pavimento.

Facilitar los trabajos de pavimento

Mejorar el drenaje y reducción por tanto al mínimo la acumulación de agua bajo

el pavimento.

Ayudar a controlar los cambios volumétricos de la subrasante y disminuir al

mínimo la acción superficial de tales cambios volumétricos sobre el pavimento.

Losa de concreto

Las funciones de la losa en el pavimento rígido son las mismas de la carpeta

en el flexible, mas la función estructural de soportar y transmitir en nivel

adecuado los esfuerzos que le apliquen.

Funciones de las capas de un pavimento articulado.

Base

Es la capa colocada entre la subrasante y la capa de rodadura. Esta capa le da

mayor espesor y capacidad estructural al pavimento. Puede estar compuesta

por dos o más capas de material seleccionado.

Capa de arena: es una capa de poco espesor, de arena gruesa y limpia que se

coloca directamente sobre la base; sirve de asiento a los adoquines y como

filtro para el agua que eventualmente pueda penetrar por las juntas entre estos.

Page 26: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

26

Sellos de arena: está constituido por aren fina que se coloca como llenante de

las juntas entre los adoquines; sirve como sello de las mismas y contribuyen al

funcionamiento, como un todo, de los elementos de la capa de rodadura.

Factores a considerar en el diseño de pavimentos

El transito: interesa para el dimensionamiento de los pavimentos las cargas más

pesadas por ejes esperados en el carril de diseño solicitado, que determinara la

estructura del pavimento de la carretera durante el periodo de diseño adoptado. La

repetición de las cargas del tránsito y la consecuente acumulación de

deformaciones sobre el pavimento son fundamentales para el cálculo. A demás, se

deben tener en cuenta las máximas presiones de contacto, las solicitaciones

tangenciales en tramos especiales, las velocidades de operación de los vehículos

y la canalización del tránsito etc.

La subrasante: de la calidad de esta capa depende en gran parte el espesor que

deber tener un pavimento, sea este flexible o rígido. Como parámetro de

evaluación de esta capa se emplea la capacidad de soporte o resistencia a la

deformación por esfuerzo cortante bajo las cargas de transito. Es necesario tener

en cuenta la sensibilidad del suelo a la humedad, tanto en lo que se refiere a la

resistencia como a las eventuales variaciones de volumen de un suelo de

subrasante de tipo expansivo pueden ocasionar graves daños en las estructuras

que se apoyen sobre este, por esta razón cuando se construya un pavimento

sobre este tipo de suelos deberá tomarse la precaución de impedir las variaciones

de humedad del suelo para lo cual habrá que pensar en la impermeabilización de

la estructura. Otra forma de enfrentar este tipo de suelo con algún aditivo, en

nuestro medios los mejores resultados se han logrado mediante la estabilización

de suelos con cal.

El clima: los factores que en nuestro medio más afectan a un pavimento son las

lluvias y los cambios de temperatura. Las lluvias por su acción directa en la

elevación del nivel freático influyen en la resistencia, la compresibilidad y los

cambios volumétricos de los suelos de subrasante especialmente. Este parámetro

también influye en algunas actividades de construcción de capas granulares y

asfálticas. Los cambios de temperatura en las losas de pavimentos rígidos

ocasionan en éstas esfuerzos muy elevados, que en algunos casos pueden ser

superiores a los generados por las cargas de los vehículos que circulan sobre

ellas.

6.3. DISEÑO MARSHALL

Page 27: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

27

El concepto del método Marshall para diseño de mezclas de pavimentación fue formulado

por Bruce Marshall, ingeniero de asfaltos del Departamento de Autopistas del estado de

Mississippi. El cuerpo de ingenieros de Estados Unidos, a través de una extensiva

investigación y estudios de correlación, mejoró y adicionó ciertos aspectos al

procedimiento de prueba Marshall y desarrollo un criterio de diseño de mezclas.

El método original de Marshall, sólo es aplicable a mezclas asfálticas en caliente para

pavimentación que contengan agregados con un tamaño máximo de 25 mm (1”) o menor.

El método modificado se desarrolló para tamaños máximo arriba de 38 mm (1.5”). Está

pensado para diseño en laboratorio y control de campo de mezclas asfálticas en caliente

con graduación densa. Debido a que la prueba de estabilidad es de naturaleza empírica,

la importancia de los resultados en términos de estimar el comportamiento en campo se

pierde cuando se realizan modificaciones a los procedimientos estándar. El método

Marshall utiliza especímenes de prueba estándar de una altura de 64 mm (2 ½”) y 102

mm (4”) de diámetro. Se preparan mediante un procedimiento específico para calentar,

mezclar y compactar mezclas de asfalto-agregado. (ASTM D1559). Los dos aspectos

principales del método de diseño son, la densidad-análisis de vacíos y la prueba de

estabilidad y flujo de los especímenes compactados. La estabilidad del espécimen de

prueba es la máxima resistencia en N (lb) que un espécimen estándar desarrollará a 60ºC

cuando es ensayado. El valor de flujo es el movimiento total o deformación, en unidades

de 0.25 mm (1/100”) que ocurre en el espécimen entre estar sin carga y el punto máximo

de carga durante la prueba de estabilidad.

6.4. DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS DE LA PORTLAND CEMENT ASOCIATION

(PCA)

El procedimiento de diseño de la PCA está basado en información obtenida de diferentes

fuentes, incluyendo investigaciones, desarrollos teóricos, ensayos de pavimentos a escala

real, y el monitoreo de la performance de pavimentos en servicio. Un programa de

investigación llevado a cabo por la Portland Cement Association correlacionó la

información de diseño de estas fuentes obteniendo como resultado un procedimiento

desarrollado únicamente para pavimentos suelo cemento.

Bases para el Procedimiento de Diseño de Espesores

Desde 1935 más de 140,000 km de pavimentos suelo-cemento han sido construidos en

Norteamérica. La performance demostrada por estos pavimentos a través de los años

provee una valiosa información para el diseño, para los niveles de espesor que fueron

utilizados. La mayoría de estos pavimentos en servicio son de 15 cm de espesor. Este

espesor ha probado ser satisfactorio para las condiciones de servicio de caminos

Page 28: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

28

secundarios, calles residenciales y pistas de aterrizaje de tráfico ligero. Algunos

pavimentos de 10 cm y 12.5 cm han sido construidos y han dado un buen servicio bajo

condiciones favorables de tráfico ligero y fuerte resistencia del suelo. Muchos kilómetros

de pavimentos de 17.5 cm y 20 cm de espesor están en servicio en caminos principales y

vías secundarias de alto tráfico. Pavimentos con suelo cemento con espesores de 22.5

cm o mas no son numerosos, aunque algunos proyectos de aeropuertos han sido

construidos con espesores de hasta 40 cm. En carreteras interestatales en algunas áreas

de tráfico comparativamente más bajos, un amplio rango de espesores de suelo cemento,

de 10 a 30 cm, han sido incorporados en la estructura total de los pavimentos. Se ha

obtenido también información valiosa de diseño de ensayos de caminos a escala real y de

investigaciones de laboratorio conducidas por universidades, departamentos de

carreteras, y por la Portland Cement Association.

Propiedades Estructurales Básicas

Las propiedades estructurales del suelo-cemento dependen del tipo de suelo, condiciones

de curado, y edad. Los rangos típicos para una amplia variedad de tipos de suelo-

cemento, a sus respectivos contenidos de cemento requeridos para durabilidad, son:

Tabla 4. Propiedades estructurales Básicas

PROPIEDAD VALORES A 28 DÍAS

Resistencia a la compresión,

saturada 400 - 900 psi

Módulo de ruptura 80 - 180 psi

Módulo de elasticidad (módulo

estático a la flexión)

600,000 - 2’000,000 psi

Relación de Poisson 0.12 – 0.14^1

Radio de curvatura crítico^2, en

viga de 6 x 6 x 30 pulg 4,000 – 7,500 pulg.

6.5. TRANSITO.

6.5.1. CÁLCULO DEL TRÁNSITO DE ACUERDO AL MANUAL DE DISEÑO DE

PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PARA VÍAS CON BAJOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO

(INVIAS)

Page 29: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

29

Para el dimensionamiento de los pavimentos interesan las cargas por eje esperadas en el

carril de diseño, estas me determinarán la estructura del pavimento para el periodo de

diseño adoptado. Es por esto que, probablemente, la variable mas importante en el diseño

de un pavimento de una vía es el transito; éste se define como la determinación del

número, tipo y peso de vehículos que transitan por determinada ella. Es necesario

cuantificar la variable transito existente ya que ésta genera cargas y deformaciones

sobre el pavimento.

El Instituto Nacional de Vías INVIAS ha designado la siguiente terminología para los

vehículos que circulan en el país:

A: Vehículos livianos (automóviles)

B: Buses

C: Camiones

Además se ha clasificado el tipo de vehículos de acuerdo con el número y disposición de

los ejes, como se muestra en la figura 6

Figura 6. Esquema de clasificación de vehículos

Page 30: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

30

FUENTE: Manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito,

INVIAS

6.5.1.1. Niveles de tránsito

El Instituto Nacional de Vías (INVIAS) en su manual de diseño de pavimentos asfálticos

para vías con bajos volúmenes de tránsito clasifica el tránsito de diseño en dos niveles, en

función del número de ejes equivalentes de 8.2 ton previstos durante el periodo de diseño

en el carril. En la tabla 4 se indican las categorías adoptadas.

Page 31: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

31

Tabla 5. Niveles de tránsito

FUENTE: Manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito,

INVIAS

6.5.1.2. Componentes de tránsito

Para cuantificar adecuadamente los volúmenes de transito, se divide en:

Transito normal: Tránsito que circularía por la red si no se realizara el proyecto

Tránsito atraído: Tránsito que utilizará el proyecto, por las ventajas o beneficios

que ofrece.

Tránsito generado: Se origina por el proyecto debido a mejores condiciones de

oferta (tránsito nuevo por efecto del desarrollo del área de influencia).

6.5.1.3. Determinación del nivel de confianza en la proyección del tránsito

El proyectista deberá considerar en el cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton

para el diseño, el nivel de confiabilidad que considere pertinente.

En el caso en que existe serie histórica del tránsito, el modelo estadístico que se adopte,

a través de los errores estándar del modelo y de predicción para cada uno de los años del

periodo de diseño, considerara la confiabilidad indicada por el proyectista.

6.5.1.4. Conversión de vehículos a ejes equivalentes de 8.2 ton. Factores de daño

por tipo de vehículo

Los factores de daño se indican en la tabla 5, y serán los que se deberán aplicar para calcular los ejes equivalentes de 8.2 ton.

Tabla 6. Factor daño por tipo de vehículo

Page 32: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

32

FUENTE: Manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito,

INVIAS

6.5.1.5. Tránsito en el carril de diseño en función del ancho de la calzada. Factor

direccional (Fd)

En la tabla 6 Se indica el factor direccional (Fd) por adoptar para el diseño según el ancho

de la calzada.

Tabla 7. Tránsito por adoptar para el diseño según el ancho de la calzada

Factor Direccional (Fd)

FUENTE: Manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito,

INVIAS

6.5.1.6. Tránsito acumulado en ejes equivalentes de 8.2 ton, en el carril de diseño

durante el periodo de diseño

6.5.1.6.1. Pronostico de la componente de tránsito normal

Cuando existe serie histórica de tránsito: Cuando en el tramo de vía analizado se

encuentra una estación de conteo de tránsito, con información continua de por lo

menos 5 años. El procedimiento para la determinación del tránsito normal se

describe a continuación:

1. Identificación de la serie histórica del tránsito en la estación de conteo

seleccionada

2. Conversión de la serie histórica del tránsito a ejes equivalentes de 8.2 ton

Donde:

Page 33: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

33

3. Análisis estadístico de la serie histórica: se establecen los modelos de

crecimiento factibles para las condiciones del estudio.

4. Selección del modelo factible de crecimiento de tránsito: se acepta o rechaza

un modelo sobre la base de los resultados de los coeficientes estadísticos, del

análisis de las variables independientes adoptadas y de consideraciones

acerca de las particularidades del proyecto.

5. Estimación del tránsito proyectado para el periodo de diseño, en el carril de

diseño y considerando un nivel de confianza predeterminado.

a. Cálculo del error estándar (σ) del modelo de crecimiento del tránsito

seleccionado.

Donde:

b. Cálculo del error estándar en la predicción del tránsito, error de pronóstico

( año por año en el periodo de diseño

(

Donde:

(

Page 34: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

34

c. Cálculo de los valores de corrección para el tránsito equivalente

proyectado en cada uno de los años del periodo de diseño , con base

en el nivel de confianza deseado. En la tabla 7 se muestran los valores de

Zr para diferentes niveles de confianza

Tabla 8. Valores del parámetro Zr (suponiendo una distribución normal)

FUENTE: Manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito,

INVIAS

d. Cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton diarios, corregidos por

confiabilidad, en cada uno de los años del periodo de diseño

Donde:

e. Cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton acumulados durante el

periodo de diseño.

Page 35: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

35

f. Cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton acumulados en el carril

de diseño durante el periodo de diseño, por concepto de la componente

normal del tránsito.

6.5.1.7. Pronóstico de la componente de tránsito atraído

Para iniciar la discusión de este tipo de análisis, se debe estar seguro que el proyecto vial si ocasionará cambios en el comportamiento de los usuarios. Entre los métodos para estimar el tránsito atraído, se cuentan los siguientes:

a. Estudio de origen y destino: Aplicación de un estudio de origen y destino

que permita establecer los flujos entre pares origen-destino, flujos básicos,

que en forma potencial, podrían utilizar el proyecto en el futuro.

b. Estudio de utilización del proyecto por usuarios potenciales: Se lleva a cabo

a través de una encuesta a usuarios potenciales, en las que se indaga si

harían uso o no del nuevo proyecto.

6.5.1.8. Pronóstico de la componente de tránsito generado

Crecimiento que se presenta por el incremento que se presenta por el incremento

que en la producción agrícola, pecuaria, minera, industrial, comercial o turística

que se genera en una zona por la construcción de una nueva carretera o el

mejoramiento y/o pavimentación de una vía existente.

Cuando no se dispone de información detallada, se puede hacer uso de los

factores relacionados en la tabla 8, obtenidos del seguimiento a proyectos de

pavimentación en vías de bajo transito en el país.

Tabla 9. Porcentaje de tránsito generado como función del tránsito normal

Page 36: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

36

FUENTE: Manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito,

INVIAS

6.5.2. CÁLCULO DEL TRÁNSITO DE ACUERDO AL MANUAL DE DISEÑO DE

PAVIMENTOS DE CONCRETO PARA VÍAS CON BAJOS, MEDIOS Y ALTOS

VOLÚMENES DE TRÁNSITO (INVIAS)

La determinación de la variable tránsito se puede hacer con diferentes grados de

aproximación. Las más precisas parten del análisis de registros históricos de conteos y

pesajes sobre la vía que se va a pavimentar. Los conteos permiten que se haga una

proyección con la idea de que el tránsito pasado permite predecir el que pasará. Por su

parte los menos precisos se hacen teniendo en cuenta el ancho y el tipo de la vía que se

tiene, o con base en algunas consideraciones acerca del servicio que va a prestar la vía.

La clasificación vehicular se acoge a los lineamientos regulativos de la regulación 4100 de

2004, expedida por el Ministerio de Transporte. Los vehículos se clasifican así:

A: Automóviles, camperos, camionetas y microbuses

B: Busetas y buses

C: Vehículos de carga

Los vehículos de carga se designan de acuerdo a la configuración de sus ejes de la

siguiente manera:

Con el primer dígito se designa el número de ejes del camión o del tracto

camión

La letra S significa semirremolque y el dígito inmediato indica el número de sus

ejes

La letra R significa remolque y el dígito inmediato indica el número de sus ejes

La letra B significa el remolque balanceado y el dígito inmediato indica el

número de sus ejes

Figura 7. Representación esquemática de los vehículos de transporte de carga más

comunes en el país

Page 37: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

37

FUENTE: Resolución 4100 de 2004

En la tabla 9 se registra la carga máxima admisible para los vehículos más comunes en el país de acuerdo con la resolución 4100 de 2004, en la figura 8 se indica la carga máxima para los ejes más frecuentes

Tabla 9. Máximo peso por eje para los vehículos de transporte de carga

FUENTE: Resolución 4100 de 2004

Figura 8. Esquematización de los diferentes tipos de ejes y su carga máxima

Page 38: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

38

FUENTE: Resolución 4100 de 2004

NOTA: Por ley, los vehículos deben cumplir simultáneamente con las condiciones de

máxima carga vehicular y máximo peso por eje.

Los métodos de diseño de pavimentos recurren a establecer un eje patrón, debido a la

gran cantidad de cargas que pueden circular por una vía. El caso más representativo (eje

patrón) es una carga de 8.2 ton para el eje sencillo de llanta doble.

La relación que existe en el daño proporcionado al pavimento por el peso ejercido por una

carga cualquiera y el eje patrón, se determina a partir del factor de equivalencia.

Donde:

Page 39: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

39

Tabla 10. Carga máxima admisible por vehículo

FUENTE: Resolución 4100 de 2004

En la tabla 11 Se encuentran los valores de las cargas patrón y exponenciales para el

cálculo del factor de equivalencia, dependiendo del tipo de eje, para un índice de servicio

final de 2.5, aplicable para los pavimentos de concreto.

Tabla 11. Cargas patrón y exponenciales para el cálculo del Factor de equivalencia

FUENTE: Manual de diseño de pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes

de tránsito

6.5.2.1. Factor camión (Fc)

El factor camión se puede entender como el número de aplicaciones de ejes sencillos cargados con 8.2 toneladas que es necesario que circulen por un pavimento para hacer el mismo daño que un camión con una carga cualquiera. El factor camión equivale a la sumatoria de los factores de equivalencia calculados para cada eje. 6.5.2.2. Cuantificación del tránsito en una vía

6.5.2.2.1. Tránsito promedio diario (TPD)

Page 40: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

40

El TPD se hace contando, durante un lapso establecido, todos los vehículos que pasan por una sección de la vía (todos los carriles y ambas direcciones), luego se saca un promedio diario que se conoce con el nombre de TPD. La información del TPD se refina estableciendo el porcentaje de vehículos clase A, B ó C.

6.5.2.2.2. Periodo de diseño y vida útil

Por las características funcionales de los pavimentos de concreto, se recomienda que el periodo de diseño sea igual o superior a 20 años. La vida útil es el número de años en que el pavimento está en condiciones de permitir la circulación de los vehículos en unas condiciones buenas de operación. 6.5.2.3. Clasificación de las vías

Tabla 12. Clasificación de las vías

CRITERIO DE CLASIFICACIÓN

CLASIFICACIÓN

Según entidad territorial de que depende la vía

Vías nacionales primarias (Vp)

Vías departamentales secundarias (Vs)

Carreteras municipales

terciarias (Vt)

Se pueden considerar como las carreteras más

importantes y hacen parte de la red primaria de vías

Hacen parte de la red secundaria. Unen

municipios de uno o más departamentos

Pueden unir dos o mas municipios isn

llegar a ser departamentales

Por sus características

Autopistas (AP) Carreteras multi

carriles (MC) Carreteras de dos direcciones (CC)

Vías en las que no se interrumpe el tránsito. Los vehículos pueden circular

en una dirección determinada, separados,

Vías divididas, con dos o más carriles por

sentido, con control parcial o total de acceso y salida

Vías de dos carriles, uno por cada sentido de circulación, con

intersecciones a nivel y accesos directos

Page 41: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

41

por algún tipo de elemento físico de los vehículos que

viajan en otra dirección, en dos o más carriles

desde sus márgenes.

Según el ancho de la vía

Estrechas (E) Medias (M) Anchas (A)

Ancho inferior a los 5m Ancho que va de 5m

a 6m

Pueden tener más de dos carriles y cada uno de ellos tienen

más de 3.5m de ancho

6.5.2.4. Asignación del tránsito según las características y el ancho de la vía

En las carreteras de dos direcciones, la asignación del tránsito para el carril de diseño dependerá del ancho de la vía así:

Para vías estrechas: la totalidad del tránsito

Para vías de ancho medio: 75%

Para vías anchas: 50%

En la figura… se tiene un gráfico con el que se puede definir el porcentaje de vehículos

que circulan en el carril de diseño en función del tránsito promedio diario anual, sin tener

en cuenta los vehículos que tienen menos de 6 llantas.

6.5.2.5. Porcentaje de vehículos para el carril de diseño

Los factores de distribución vehicular por carril se establecen en la tabla 13

Tabla 13. Porcentaje de vehículos para el carril de diseño

Page 42: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

42

Figura 9. Porcentaje de camiones en el carril de diseño

6.6. ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR)

La finalidad de este ensayo, es determinar la capacidad de soporte de suelos y agregados

compactados en laboratorio, con una humedad óptima y niveles de compactación

variables. El ensayo mide la Resistencia al cortante (punzonamiento) de un suelo bajo

condiciones de humedad y densidad controladas, permitiendo obtener un % de relación

de soporte.

El ensayo más utilizado es el CBR, el cual representa la relación, en porcentaje, entre el

esfuerzo requerido para penetrar un pistón a cierta profundidad dentro del suelo ensayado

y el esfuerzo requerido para penetrar un pistón igual, a la misma profundidad, dentro de

una muestra patrón de piedra triturada.

La muestra patrón fue elegida y ensayada por O.J. Poter, en California, en 1929,

presentando los siguientes esfuerzos para diferentes profundidades de penetración del

pistón:

Tabla 14. Valores de esfuerzo en la muestra patrón

Page 43: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

43

Para cada muestra preparada se debe dibujar una grafica relacionando esfuerzo vs

penetración del pistón y se calcula el valor de CBR para penetración de 0.1´´ (2.5mm) y

0.2´´ (5mm) con las siguientes expresiones

Los valores de índice de CBR oscilan entre 0 y 100. Cuando mayor es su valor, mejor es

la capacidad portante del suelo. Valores por debajo de 6, deben descartarse

Tabla 15. Clasificación y usos del suelo de acuerdo a los valores de CBR

CBR Clasificación cualitativa del suelo Uso

2-5 Muy mala Sub-rasante

5-8 Mala Sub-rasante

8-20 Regular-buena Sub-rasante

20-30 Excelente Sub-rasante

30-60 Buena Sub-base

60-80 Buena Base

80-100 Excelente Base

6.7. MODULO RESILIENTE

El modulo resiliente se define, como aquel que relaciona las tensiones aplicadas y las

deformaciones recuperables (AASHTO, 1993). Se introdujo el termino modulo resiliente

como la relación que existe entre la magnitud del esfuerzo desviador cíclico en

comprensión triaxial y la deformación axial recuperable (Rondon & Reyes 2007).

Matemáticamente la ecuación del modulo resiliente está dada por:

Donde:

Page 44: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

44

Sobre las capas del pavimento se producen deformaciones permanentes y recuperables o

resilientes. Después de un cierto número de ciclos de carga, el material tiende a poseer

casi en su totalidad deformaciones resilientes.

En la teoría elástica tradicional el modulo de elasticidad (E) y la relación de possion define

las propiedades elásticas de un material. Para describir el comportamiento recuperable de

un material sujeto a cargas cíclicas cargado en un aparato triaxial se utiliza . El modulo

resiliente es no lineal y dependiente del esfuerzo

Factores que afectan el modulo resiliente

Como se ha observado en los estudios llevados a cabo sobre modulo resiliente, este

parámetro no es una propiedad constante del pavimento, sino que depende de muchos

factores.

Factores que afectan el modulo resiliente en pavimentos asfalticos

Existen diversos factores que afectan al modulo resiliente del pavimento asfaltico. A

continuación se muestra un resumen de estos factores:

Nivel de esfuerzos

Frecuencia de carga

Contenido de betún

Tipo de agregado

Contenido de vacios

Tipo y contenido de modificadores

Tipo de prueba

Temperatura

6.8. MODULO DE REACCIÓN DE LA SUBRASANTE

Ensayo de placa

Modulo de reacción de subrasante , se define como:

Donde

Page 45: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

45

Los ensayos de placa de carga permiten determinar las características resistencia -

deformación de un terreno. Consisten en colocar una placa sobre el suelo natural, aplicar

una serie de cargas y medir las deformaciones. El resultado del ensayo se representa en

un diagrama tensión deformación.

A partir de este ensayo se pueden obtener numerosos datos entre los que se destacan:

Obtención de la capacidad de carga del suelo para un asentamiento determinado

Determinación del modulo de reacción o coeficiente de balasto (K)

Determinación de las características de la curva carga contra deformación del

suelo

Realización de estudios sobre la estabilidad de pavimentos o bases de caminos ya

existentes.

La información proporcionada es posible usarla en la evaluación y diseño de pavimentos

de tipo rígido o flexible de carreteras y aeropuertos y aplicarse tanto a suelos en estado

natural como compactados.

6.9. MODULO DINÁMICO WITCZAK

Se determina con la ecuación predictiva de Witczak, la cual se basa en la frecuencia de

aplicación de la carga, la composición volumétrica de la mezcla compactada, la viscosidad

del ligante y la granulometría de los agregados

Donde:

La ecuación de Witczak también puede ser expresada en la forma de una curva maestra,

como:

Page 46: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

46

Conocida la viscosidad del ligante en cualquier instante ( ), el sistema determina el

modulo dinámico de la mezcla para cualquier tiempo de aplicación de carga, tanto en la

ecuación de la curva maestra, como en la ecuación de Witczak, utilizando un valor

apropiado. Para ello, emplea una expresión obtenida en el “sistema de envejecimiento

Global”

6.10. LEYES DE FATIGA

En el modelo tradicional de fatiga las fisuras se originan en la fibra inferior de la mezcla

bituminosa (zona donde la tensión de tracción es mayor) y se propaga verticalmente hacia

la superficie del pavimento.

Daño por fatiga significa que un estado de tensión provocado por una solicitación, muy

alejada del valor de rotura, llega a producir por acumulación (es decir, por repetición de la

solicitación un número muy elevado de veces) el agotamiento del material, agotamiento

que se manifiesta por la fisuración del mismo.

Ensayos de laboratorio han verificado que la relación entre la deformación, ϵ1, (producida

por la solicitación) y la duración o vida de la fatiga del material representada por el número

N de veces que soporta la solicitación antes de romperse por fatiga. ϵ y N están ligadas

por la expresión:

Donde N representa el número de ciclos de carga hasta la fatiga del material al nivel de

deformación ϵ, que es la deformación unitaria de tracción (en micro deformaciones µ m/m)

y k1 y k2 constantes que describen el comportamiento a fatiga del material.

Page 47: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

47

Numerosos estudios se han realizado para establecer que parámetros de la mezcla

intervienen de manera significativa en la determinación de los valores de k1 y k2. Se ha

comprobado que están principalmente afectados por:

El módulo de la Mezcla

El contenido de betún

La viscosidad del betún (medida por el Índice de Penetración, IP)

La granulometría y la naturaleza de los áridos

El contenido de aire (huecos en la mezcla)

La temperatura del pavimento

La acumulación de daño de fatiga D en cada punto a lo largo de la carretera debido al

paso de los vehículos se estima mediante la aplicación de la ley de Miner de acumulación

lineal del daño.

Donde es el número de ciclos al nivel de deformación ϵi, es el número de

ciclos a rotura al nivel de deformación y es el número de niveles diferentes de

deformación.

Métodos de estimación de leyes de fatiga

La determinación de la ley de fatiga de una mezcla bituminosa es una cuestión compleja que requiere muchos y costosos ensayos de laboratorio y calibraciones y calados posteriores del modelo in situ. Por ello se suele recurrir a los estudios genéricos realizados por laboratorios nacionales o por organizaciones con grandes recursos. Para el caso que nos ocupa se describen los dos métodos más conocidos aunque solo se aplica el método del Instituto del Asfalto para determinar las características de fatiga de la mezcla de Alto Módulo.

El método desarrollado por la SHELL.

La expresión simplificada que establece la SHELL para definir una ley de fatiga de una

mezcla bituminosa es:

Donde es el porcentaje de betún en volumen y es el módulo de la mezcla en Mega

Pascales.

El método anterior permite estimar el comportamiento a fatiga de cualquier tipo de Mezcla

bituminosa, incluidas las Mezclas de Alto Módulo.

Page 48: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

48

Mezcla convencional:

Mezcla alto modulo:

7. DESARROLLO PRÁCTICO

Page 49: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

49

7.1. DESCRIPCION DE LA VIA

La vía Santander de Quilichao - Te de Villa Rica está ubicada dentro del perímetro rural

del departamento del Valle del Cauca, forma parte de la vía que de Cali conduce al

municipio de Santander de Quilichao.

Las vías primarias, arterias principales son corredores viales que garantizan la integración

de las principales zonas de producción y consumo del país. Las secciones transversales

de éstas, permiten los desplazamientos de altos volúmenes vehiculares.

Imagen 1. Ubicación vía de estudio

La vía objeto de estudio, es una vía arteria principal está compuesta por dos (2) carriles

cada uno de 4 metros (m).

Te de Villa Rica

Santander de Quilichao

Page 50: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

50

7.2. ESTUDIO DE TRANSITO

Imagen 2. Vía Santander de Quilichao-Te de villa Rica

Para el diseño de pavimentos es importante tener en cuenta elementos, entre los que se

cuentan como los más importantes: la capacidad de soporte del suelo, el tránsito que

circulará sobre la estructura durante su periodo de diseño, las condiciones climáticas y los

materiales con que será construida.

El tránsito es una de las variables más determinantes y/o importantes en el diseño de una

estructura de pavimento o una vía, ya que las dimensiones de los vehículos influyen en el

diseño geométrico, mientras que el número de ejes y peso de estos son factores

determinantes para el diseño de la estructura.

7.2.1. TRÁNSITO PAVIMENTO FLEXIBLE

Estudio de volúmenes vehiculares

Como parte de los resultados generados del análisis de este estudio, se debe establecer

el volumen de vehículos que se movilizan y su distribución por tipo de vehículo, con lo

cual es posible determinar la carga que debe soportar la estructura de pavimento durante

su periodo de diseño.

Te de Villa Rica

Santander de Quilichao

Page 51: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

51

El periodo de diseño de la estructura de pavimento depende tanto de la categoría de la

vía, como del rango de tránsito promedio diario (TPD) inicial de la misma. A continuación,

en la tabla 16 se muestran los valores de periodo de diseño recomendados por el Instituto

Nacional de Vías (INVIAS) para los pavimentos asfálticos.

Tabla 16. Periodo de diseño (en años) recomendado

La vía Santander de Quilichao – Te de Villa Rica, por ser una vía arteria principal, se

considera en la categoría I de la tabla anterior, por lo tanto, el periodo de diseño del

pavimento flexible toma como 20 años.

Variables medidas

Para el estudio de volúmenes vehiculares se hace mayor énfasis en la determinación de la distribución vehicular típica de la zona y la estimación del volumen de vehículos pesados, para lo cual se consideran los siguientes tipos:

Figura 10. Esquema de clasificación de vehículos

Page 52: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

52

FUENTE: manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito

Series históricas

En la tabla 17 se presenta la información existente entre los años 1997 y 2008 del Instituto Nacional de Vías (INVIAS), en la cual se presentan los datos de la información de la serie histórica y composición del tránsito promedio diario semanal (TPDS) de la estación 284, ubicada en la vía Santander de Quilichao – Te de Villa Rica. En la figura 11 se observa la localización de las estaciones de conteo.

Figura 11. Localización estaciones de conteo. Estación 284

Page 53: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

53

FUENTE: instituto nacional de vías, volúmenes de tránsito

La tabla 17 muestra la información correspondiente al tránsito promedio diario semanal y el porcentaje de automóviles, buses y camiones entre los años 1997 y 2008, a partir de los cuales se puede determinar el porcentaje de crecimiento anual del tránsito y establecer mediante modelos matemáticos de regresión, el comportamiento del flujo vehicular en años futuros. Se presentan también, las gráficas 1, 2 y 3 Con las variación histórica del tránsito discriminadas por tipo de vehículo.

Tabla 17. Serie histórica y composición del tránsito promedio diario semanal (TPDS) de la vía Santander de Quilichao-Te de Villa Rica, estación 284

AÑO TPDS AUTOS BUSES CAMIONES

% A % B % C

1997 5792 66 8 26

1998 7109 63 12 25

1999 6595 60 13 27

2000 6214 59 14 27

Page 54: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

54

2001 5110 60 13 27

2002 5452 60 13 27

2003 6611 57 16 27

2004 5394 56 19 25

2005 7618 55 16 29

2006 9080 56 18 26

2007 9500 57 19 24

2008 8989 55 17 28

FUENTE: instituto nacional de vías, volúmenes de tránsito

Tabla 18. Camiones de conteo total semanal y distribución porcentual, año 2008

CATEGORÍA VEHÍCULO

CANTIDAD PORCENTAJE

C2-P 4079 22.96%

C2-G 5271 29.67%

C3 Y C4 3674 20.68%

C5 2556 14.39%

>C5 2186 12.30%

FUENTE: instituto nacional de vías, volúmenes de tránsito 2008

Grafico 1. Variación histórica de autos

Grafico 2. Variación histórica de buses

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

VO

LUM

EN

AÑO

VARIACIÓN HISTÓRICA DE AUTOS

Page 55: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

55

Grafico 3. Variación histórica de camiones

La información obtenida de las gráficas anteriores sirve para establecer unos parámetros

iniciales que permiten evaluar el comportamiento de los volúmenes de tráfico sobre la vía

Santander de Quilichao – Te de Villa Rica; además, para la proyección de los volúmenes

y el cálculo de las cargas mediante el método de ejes equivalentes según las series

históricas.

Calculo ejes equivalentes

Se hace la conversión de la serie histórica del tránsito a ejes equivalentes de 8.2 (Ton). El

cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 (Ton) se realiza de la siguiente manera:

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

VO

LUM

EN

AÑO

VARIACIÓN HISTÓRICA DE BUSES

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

AÑO

VARIACIÓN HISTÓRICA DE CAMIONES

Page 56: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

56

Donde:

Para determinar el factor direccional se toma como referencia el manual de diseño de

pavimentos asfálticos para bajos volúmenes de tránsito del INVIAS, donde se apoyan en

el ancho de calzada para determinar el (Fd) a utilizar.

Tabla 19. Factor direccional

FUENTE: manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito

Al tener la vía un ancho de calzada mayor a 6m, el factor de dirección adoptado para el

cálculo del número de ejes equivalentes a 8.2 Ton es de 0.5.

El factor carril se determina basado en la tabla 20 de la guía metodológica para el diseño

de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras, basado en el número

de carriles que presenta la vía.

Tabla 20. Factor carril para vías con diferentes números de carriles.

FUENTE: manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito

Al tener la vía un carril por sentido, el factor carril adoptado para el cálculo del número de

ejes equivalentes a 8.2 Ton es de 1.0.

Page 57: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

57

Los vehículos por su variedad en tamaño y configuración de ejes, generan diferentes

efectos sobre la estructura del pavimento. Por esto, establecemos la proporción como

factor del daño provocado por cada tipo de vehículo sobre la estructura.

Tabla 21. Factor daño por tipo de vehículo

FUENTE: manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito

NOTA: Los valores que se toman del factor daño, corresponden a los valores

consignados en la tabla anterior para cada vehículo cargado.

Tabla 22. Valores de tránsito equivalente diario

En la tabla 22 Se resumen los valores de tránsito equivalente en ejes simples de 8.2

toneladas calculados para cada año de la serie histórica.

En la gráfica 4 se observa un análisis de regresión realizado a los datos de la tabla 22,

con el fin de determinar el modelo que mejor se ajuste al comportamiento de los datos de

tránsito equivalente observado.

AÑOAño Relativo

(año-1996)

N 8.2 Ton (Diario

observado) Yi

1997 1 5212.637129

1998 2 6458.060861

1999 3 6473.05357

2000 4 6161.238542

2001 5 5015.512319

2002 6 5351.188486

2003 7 6687.087718

2004 8 5277.675693

2005 9 8186.181064

2006 10 9079.74467

2007 11 8995.52264

2008 12 9465.836247

Page 58: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

58

Grafico 4. Modelos de regresión

El modelo lineal es el que mejor representa el comportamiento de los datos, por lo tanto,

dicho modelo es el que se toma en cuenta para analizar el crecimiento del tránsito. La

ecuación para tal comportamiento se presenta a continuación:

Donde:

Se debe además, estimar la proyección del tránsito para el periodo de diseño, en el carril

de diseño y con un nivel de confianza determinado. Para esto, es necesario seguir una

serie de pasos que se describen a continuación:

Cálculo del error estándar (σ) del modelo de crecimiento del tránsito. Esto se

calcula mediante la siguiente ecuación:

y = 350.06x + 4588.3R² = 0.5888

y = 4899.5e0.0479x

R² = 0.5453

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Eje

s e

qu

ival

en

tes

de

8.2

To

n/d

ia/a

mb

as

dir

ecc

ion

es

Ano Relativo (Año-1996)

SERIE HISTORICA DE TRÁNSITO

Page 59: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

59

Donde:

En la tabla 23 Se presentan los resultados del cálculo del número de ejes equivalentes, para determinar el error estándar para cada uno de los años de la serie histórica.

Tabla 23. Valores de tránsito equivalente diario calculado

Con los datos anteriores procedemos a calcular el error estándar (σ), como sigue:

El valor estándar del modelo corresponde entonces a 1106.31.

Procedemos a calcular el error estándar en la predicción del tránsito año por año en el

periodo de diseño; o error de pronóstico (

AÑOAño Relativo

(año-1996)

N 8.2 Ton (Diario

observado) Yi

N 8.2 Ton (Diario

Calculado) Yi modelo(Yi - Yi modelo)^2

1997 1 5212.637129 4938.36 75227.94347

1998 2 6458.060861 5288.42 1368059.743

1999 3 6473.05357 5638.48 696513.0432

2000 4 6161.238542 5988.54 29824.78628

2001 5 5015.512319 6338.6 1750561.013

2002 6 5351.188486 6688.66 1788830.052

2003 7 6687.087718 7038.72 123645.2618

2004 8 5277.675693 7388.78 4456761.395

2005 9 8186.181064 7738.84 200114.0279

2006 10 9079.74467 8088.9 981773.1609

2007 11 8995.52264 8438.96 309761.9722

2008 12 9465.836247 8789.02 458080.2321

∑ 12239152.63

σ 1106.307038

Page 60: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

60

En las tablas 24 y 25 se presenta el resumen de resultados de los cálculos realizados.

Tabla 24. Cálculo de la sumatoria de las diferencias al cuadrado de cada año de la serie

histórica y el año medio de dicha serie histórica

Tabla 25. Error de pronóstico para cada uno de los años del periodo de diseño

AÑO (Xi - X)^2

1997 36

1998 25

1999 16

2000 9

2001 4

2002 1

2003 0

2004 1

2005 4

2006 9

2007 16

2008 25

∑ 146

AÑO σ (pronostico)

2013 1013.023505

2014 1100.291875

2015 1188.20611

2016 1276.632787

2017 1365.472353

2018 1454.649162

2019 1544.104784

2020 1633.793423

2021 1723.678703

2022 1813.731391

2023 1903.927732

2024 1994.248235

2025 2084.676761

2026 2175.199838

2027 2265.806134

2028 2356.486049

2029 2447.2314

2030 2538.035168

2031 2628.891299

2032 2719.794546

Page 61: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

61

El tránsito proyectado en cada uno de los años del periodo de diseño debe corregirse con

base en el nivel de confianza deseado. El nivel de confianza para la vía objeto de estudio,

se considera apropiado del noventa por ciento (90%).

Tabla 26. Valores del parámetro Zr que asegura el nivel de confianza deseado

FUENTE: manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito

Tabla 27. Valores de corrección para cada año del periodo de diseño

Page 62: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

62

Tabla 28. Ejes equivalentes para todos los años del periodo de diseño, con confiabilidad del

90%

Año

Cj ejes de 8.2

ton/dia/ambas

direcciones

2013 1298.696133

2014 1410.574183

2015 1523.280233

2016 1636.643233

2017 1750.535557

2018 1864.860226

2019 1979.542333

2020 2094.523168

2021 2209.756098

2022 2325.203644

2023 2440.835353

2024 2556.626237

2025 2672.555608

2026 2788.606193

2027 2904.763464

2028 3021.015115

2029 3137.350654

2030 3253.761085

2031 3370.238645

2032 3486.776608

Page 63: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

63

De acuerdo al modelo de regresión seleccionado anteriormente, y para una confiabilidad

de 90%, la tendencia seguida por el transito equivalente diario durante el periodo de

diseño se puede observar en la siguiente gráfica.

Grafico 5. Transito equivalente diario del periodo de diseño con confiabilidad de 90%

Año

(N'j) ejes de 8.2

Ton/dia/ambas

direcciones

2013 11838.01613

2014 12299.95418

2015 12762.72023

2016 13226.14323

2017 13690.09556

2018 14154.48023

2019 14619.22233

2020 15084.26317

2021 15549.5561

2022 16015.06364

2023 16480.75535

2024 16946.60624

2025 17412.59561

2026 17878.70619

2027 18344.92346

2028 18811.23511

2029 19277.63065

2030 19744.10108

2031 20210.63865

2032 20677.23661

∑ 325023.9438

0

5000

10000

15000

20000

25000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

Eje

s e

qu

ival

en

tes

de

8.2

To

n/d

ia/a

mb

as d

ire

ccio

ne

s

Ano Relativo (Año-1996)

SERIE HISTORICA DE TRÁNSITO

Proyección con

confiabilidad de 90%

Periodo de diseño

Periodo de conteo

Page 64: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

64

El cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton acumulados en el carril de diseño,

durante el periodo de diseño, se calculan mediante la siguiente expresión

7.2.2. TRÁNSITO PAVIMENTO RÍGIDO

En el diseño del pavimento rígido no se tienen en cuenta las mismas consideraciones que

en el diseño de pavimentos flexibles

Tabla 29. Datos históricos de tránsito (estación 284)

En la gráfica 6 se muestra la regresión lineal de la serie histórica, que es la que mejor se

ajusta a un comportamiento uniforme del tránsito promedio diario semanal (TPDS).

N 8.2 ton carril de

diseño normal59316869.74

AÑOAño Relativo

(año-1996)TPDS (Yi)

1997 1 5792

1998 2 7109

1999 3 6595

2000 4 6214

2001 5 5110

2002 6 5452

2003 7 6611

2004 8 5394

2005 9 7618

2006 10 9080

2007 11 9500

2008 12 8989

Page 65: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

65

Gráfica 6. Regresión lineal de la serie histórica del tránsito

En la gráfica 6 Se observa que el valor de R2 no es cercano a 1, por lo tanto,

descartamos datos atípicos, dichos datos corresponden a los años 2001, 2002 y 2004.

Así, tenemos que:

Tabla 30. Corrección de datos históricos

La gráfica que resulta se muestra a continuación

y = 290.6x + 5066.4R² = 0.4673

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 2 4 6 8 10 12 14

TPD

S (Y

i)

AÑO RELATIVO (Año-1996)

SERIE HISTÓRICA DE TRÁNSITO

AÑOAño Relativo

(año-1996)TPDS (Yi)

1997 1 5792

1998 2 7109

1999 3 6595

2000 4 6214

2003 7 6611

2005 9 7618

2006 10 9080

2007 11 9500

2008 12 8989

Page 66: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

66

Grafica 7. Regresión lineal de la serie histórica de tránsito corregida

El crecimiento del tránsito se analiza entonces, por medio de la ecuación que se presenta

a continuación:

Donde:

De la ecuación anterior obtenemos los siguientes datos: En la tabla 31 Se presentan los resultados de los cálculos realizados, para determinar el error estándar para cada uno de los años de la serie histórica.

Tabla 31. Tránsito promedio Diario Semanal (TPDS) Calculado

y = 290.15x + 5598.8R² = 0.7727

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 2 4 6 8 10 12 14

TPD

S (Y

i)

AÑO RELATIVO (Año-1996)

SERIE HISTÓRICA DE TRÁNSITO

Page 67: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

67

Con los datos anteriores procedemos a calcular el error estándar (σ), como sigue:

El valor estándar del modelo corresponde entonces a 699.39.

Procedemos a calcular el error estándar en la predicción del tránsito año por año en el

periodo de diseño; o error de pronóstico (

En las tablas 32 y 33 se presenta el resumen de resultados de los cálculos realizados.

Tabla 32. Cálculo de la sumatoria de las diferencias al cuadrado de cada año de la serie

histórica y el año medio de dicha serie histórica

AÑOAño Relativo

(año-1996)TPDS (Yi) TPDS (Yi modelado) (Yi - Yi modelado)`^2

1997 1 5792 5888.95 9399.3025

1998 2 7109 6179.1 864714.01

1999 3 6595 6469.25 15813.0625

2000 4 6214 6759.4 297461.16

2003 7 6611 7629.85 1038055.323

2005 9 7618 8210.15 350641.6225

2006 10 9080 8500.3 336052.09

2007 11 9500 8790.45 503461.2025

2008 12 8989 9080.6 8390.56

∑ 3423988.333

σ 699.3862955

Page 68: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

68

Tabla 33. Error de pronóstico para cada uno de los años del periodo de diseño

AÑO (Xi - X)^2

1997 36

1998 25

1999 16

2000 9

2003 0

2005 4

2006 9

2007 16

2008 25

∑ 140

Page 69: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

69

El tránsito proyectado en cada uno de los años del periodo de diseño debe corregirse con

base en el nivel de confianza deseado. El nivel de confianza para la vía objeto de estudio,

se considera apropiado del noventa por ciento (90%).

AÑO σ (pronostico)

2013 659.9108391

2014 715.5132091

2015 771.6370394

2016 828.1763219

2017 885.0514397

2018 942.2015777

2019 999.5795648

2020 1057.148301

2021 1114.878239

2022 1172.745571

2023 1230.730918

2024 1288.818351

2025 1346.994664

2026 1405.248816

2027 1463.571515

2028 1521.954879

2029 1580.392186

2030 1638.877664

2031 1697.406335

2032 1755.97388

2033 1814.576534

2034 1873.211003

2035 1931.874389

2036 1990.564136

2037 2049.27798

2038 2108.013905

2039 2166.770118

2040 2225.545011

2041 2284.337142

2042 2343.145213

Page 70: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

70

Tabla 34. Valores del parámetro Zr que asegura el nivel de confianza deseado

FUENTE: manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito

Tabla 35. Valores de corrección para cada año del periodo de diseño

Page 71: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

71

Tabla 36. Ejes equivalentes para todos los años del periodo de diseño, con confiabilidad del

90%

Año

TPDS Cj

dia/ambas

direcciones

2013 846.0056957

2014 917.2879341

2015 989.2386845

2016 1061.722045

2017 1134.635946

2018 1207.902423

2019 1281.461002

2020 1355.264122

2021 1429.273902

2022 1503.459822

2023 1577.797037

2024 1652.265126

2025 1726.847159

2026 1801.528983

2027 1876.298682

2028 1951.146155

2029 2026.062782

2030 2101.041166

2031 2176.074922

2032 2251.158514

2033 2326.287117

2034 2401.456506

2035 2476.662967

2036 2551.903223

2037 2627.17437

2038 2702.473827

2039 2777.799291

2040 2853.148704

2041 2928.520216

2042 3003.912163

Page 72: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

72

De acuerdo al modelo de regresión seleccionado anteriormente, y para una confiabilidad

de 90%, la tendencia seguida por el transito equivalente diario durante el periodo de

diseño se puede observar en la siguiente gráfica

Grafico 8. Transito equivalente diario del periodo de diseño con confiabilidad de 90%

Año

TPDS (N'j)

dia/ambas

direcciones

2013 11377.3557

2014 11738.78793

2015 12100.88868

2016 12463.52204

2017 12826.58595

2018 13190.00242

2019 13553.711

2020 13917.66412

2021 14281.8239

2022 14646.15982

2023 15010.64704

2024 15375.26513

2025 15739.99716

2026 16104.82898

2027 16469.74868

2028 16834.74616

2029 17199.81278

2030 17564.94117

2031 17930.12492

2032 18295.35851

2033 18660.63712

2034 19025.95651

2035 19391.31297

2036 19756.70322

2037 20122.12437

2038 20487.57383

2039 20853.04929

2040 21218.5487

2041 21584.07022

2042 21949.61216

Page 73: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

73

El cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton acumulados en el carril de diseño,

durante el periodo de diseño, se calculan mediante la siguiente expresión

Conocido lo anterior, se debe establecer el número de pasadas por cada tipo de vehículo,

como se muestra en la tabla 37.

Tabla 37. Número de repeticiones de carga

Con los datos de tránsito calculado, se puede proceder al diseño del pavimento rígido y

flexible por cada uno de los métodos.

0

5000

10000

15000

20000

25000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849

Eje

s e

qu

ival

en

tes

de

8.2

To

n/d

ia/a

mb

as d

ire

ccio

ne

s

Ano Relativo (Año-1996)

SERIE HISTORICA DE TRÁNSITO

Proyección con

confiabilidad de 90%Periodo de

diseño

Periodo de

conteo

91190059.79TPA carril de diseño normal

Eje simple - rueda

simple (6 ton)

Eje simple - rueda

doble (11 ton)

Eje tandem - rueda

doble (22 ton)

Eje tridem -

rueda doble

(24 ton)

Repeticiones de Carga 144408578.7 63495638.63 62054835.69 11216377.35

Page 74: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

74

7.3. EVALUACIÓN DE SUELOS

El factor más importante en la determinación de los espesores de diseño del pavimento,

es la respuesta del suelo de subrasante ante las cargas del tránsito. De la calidad que

tenga ésta capa dependerán, en gran parte, los espesores sean de un pavimento rígido o

flexible.

Del estudio geotécnico se determinan las características físico mecánicas de la

subrasante, y se determinan la capacidad de soporte o resistencia a la deformación por

esfuerzo cortante bajo las cargas del tránsito. Se determina, además, el perfil del suelo

mediante perforaciones o excavaciones (apiques) que permiten identificar los estratos y

calcular sus propiedades: Límites de Atterberg, CBR inalterado y Penetrómetro dinámico

de cono (PDC).

La subrasante es la capa más importante para el diseño de una estructura de pavimentos,

ya que es esta la que va a dar soporte a la estructura.

7.3.1. MAGNITUD DEL ESTUDIO

7.3.1.1. TRABAJO DE CAMPO

Con el fin de conocer el perfil estratigráfico de la vía, y sectorizarla en tramos

homogéneos, se realizaron 21 apiques de forma tal que permitieran la recolección de

datos representativos. Se realiza el registro de los espesores de las diferentes capas, y la

toma de muestras de la subrasante, con el fin de determinar las características de la

misma.

7.3.1.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS SONDEOS

A continuación se presenta el análisis de los resultados obtenidos de cada uno de los

apiques, mediante los ensayos de laboratorio y el perfil estratigráfico.

Apique 1:

Se realizó un sondeo a una profundidad comprendida entre 0.0m y 0.70m, la estratificación obtenida de este sondeo fue:

Carpeta asfáltica con espesor de 0.10m

Base granular triturada, grava limo arenosa no plástica con espesor de 0.20m

Grava areno limosa con sobre tamaño >3”, con espesor de 0.40m

Page 75: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

75

Apique 2:

El sondeo se realizó a una profundidad comprendida entre los 0.0m y los 1.5m. La estratificación obtenida corresponde a:

Relleno limo arenoso contaminado, de espesor 0.10m

Grava limo arenosa de espesor 0.30m

Material de relleno limo de espesor 0.25m

Limo de espesor 0.85m

Apique 3:

Sondeo realizado a una profundidad comprendida entre 0.0m y 1.0m, la estratificación obtenida de este sondeo corresponde a:

Capa de relleno con descapote, espesor 0.10m

Base triturada, grava limo arenosa de espesor 0.20m

Grava areno limosa de espesor 0.70m

Apique 4:

Sondeo realizado a una profundidad entre 0.0m y 1.40m, la estratificación obtenida se describe a continuación:

Capa de descapote, espesor 0.10m

Grava triturada limo arenosa, espesor 0.15m

Grava limosa (material de río), espesor 0.35m

Grava limo arenosa, espesor 0.8m

Apique 5:

Este sondeo se realizó a una profundidad comprendida entre 0.0m y 1.0m, la estratificación obtenida se muestra a continuación:

Base granular triturada areno limosa, espesor 0.30m

Grava limo arenosa, espesor 0.70m

Apique 6:

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.60m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

Base granular triturada limo arenosa, espesor 0.30m

Grava areno limosa, espesor 0.30m

Limo, espesor 0.50m

Page 76: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

76

Apique 7:

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.20m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

Carpeta asfáltica, espesor 0.10m

Grava triturada areno limosa, espesor 0.20m

Grava limo arenosa, espesor 0.90m

Apique 8:

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.40m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

Material orgánico con escombros, espesor 0.20m

Base granular triturada areno limosa, espesor 0.20m

Limo arenosa, espesor 1.0m

Apique 9:

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

Capa de relleno, espesor 0.10m

Grava areno limosa con sobre tamaño, espesor 0.70m

Grava limo arenosa, espesor 0.50m

Apique 10:

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

Capa de relleno, espesor 0.15m

Grava triturada areno limosa, espesor 0.25m

Grava areno limosa, espesor 0.80m

Limo, espesor 0.30m

Apique 11:

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.40m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

Descapote, espesor 0.15m

Grava triturada areno limosa, espesor 0.25m

Grava areno limosa, espesor 0.60m

Grava limo arenosa, espesor 0.20m

Page 77: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

77

Grava areno limosa, espesor 0.20m

Apique 12:

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

Limo orgánico contaminado, espesor 0.20m

Grava triturada areno limosa, espesor 0.40m

Grava areno limosa (de río), espesor 0.40m

Material meteorizado grava areno limosa, espesor 0.40m

Grava limo arenosa, espesor 0.10m

Apique 13:

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 0.80m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

Grava limo arenosa (triturada), espesor 0.30m

Grava limo arenosa, espesor 0.50m

Apique 14:

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.20m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

Grava areno limosa triturada, espesor 0.25m

Grava limo arenosa de río, espesor 0.35m

Material meteorizado grava limo arenosa, espesor 0.20m

Limo, espesor 0.40m

Apique 15:

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

Descapote orgánico, espesor 0.15m

Grava triturada areno limosa, espesor 0.25m

Grava areno limosa con sobre tamaño, espesor 0.20m

Grava areno limosa, espesor 0.30m

Arcilla, espesor 0.6m

Apique 16:

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

Page 78: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

78

Descapote orgánico, espesor 0.15m

Grava areno limosa con sobre tamaño, espesor 0.20m

Grava areno limosa, espesor 0.25m

Grava areno limosa meteorizada, espesor 0.60m

Arcilla, espesor 0.30m

Apique 17:

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

Material orgánico, espesor 0.10m

Grava triturada areno limosa, espesor 0.15m

Grava areno limosa con sobre tamaño, espesor 0.55m

Arcilla, espesor 0.70m

Apique 18:

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.25m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

Material orgánico, espesor 0.15m

Grava triturada areno limosa, espesor 0.25m

Grava limo arenosa, espesor 0.85m

Apique 19:

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.40m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

Material orgánico, espesor 0.20m

Grava triturada areno limosa, espesor 0.30m

Grava de río areno limosa, espesor 0.90m

Apique 20:

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.60m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

Orgánico con gravilla, espesor 0.10m

Grava arcilla arenosa meteorizada, espesor 0.60m

Grava arcilla arenosa, espesor 0.30m

Grava areno limosa, espesor 0.40m

Arcilla, espesor 0.20m

Apique 21:

Page 79: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

79

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.20m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

Orgánico, espesor 0.05m

Grava triturada areno limosa, espesor 0.45m

Grava areno limosa, espesor 0.70m

7.3.1.3. PERFIL ESTRATIGRÁFICO

El perfil estratigráfico se hace con el fin de observar los cambios de estratos y suelos

presentes a lo largo de toda la vía.

El perfil se presenta a continuación:

Figura 12. Perfil estratigráfico

Page 80: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

80

Carpeta asfáltica

Capa de relleno limo arenoso contaminado de baja plasticidad

Capa de relleno con descapote

Capa de descapote

Material orgánico con escombros

Orgánico con gravilla

Grava arcilla arenosa de mediana plasticidad, meteorizada color rojizo con vetas

rojas, blancas, negras y amarillas, humedad baja, compacidad compacta

Arcilla de alta plasticidad color negro con vetas rojas, amarillas y grises, humedad

menor al límite plástico, consistencia media

Grava areno limoso sin plasticidad color negro, humedad baja, compacidad

media a compacta

Limo de alta plasticidad de color café con vetas negras, humedad natural

menor al límite plástico, consistencia media

Arcilla de mediana plasticidad, color negro, humedad cercana al límite plástico

consistencia firme

Grava areno limosa sin olasticidad meteorizado color rojo con vetas rojas, negras,

amarillas y blancas, humedad mayor al límite plástico, compacidad compacta

Arcilla de mediana plasticidad color café oscuro con vetas amarillas, negras y

oxidación, humedad menor al límite plástico, consistencia media

Limo de baja plasticidad con arenas y gravas color café

amarilloso, con trazas negras y rojas, humedad mayor al límite

Limo de alta plasticidad color café amarilloso con trazas negras,

grises y rojas, humedad natural cercana al límite plástico,

Material meteorizado arena limosa con gravas sin plasticidad, color con trazas

rojas, negras, grises y amarillas, humedad baja, compacidad compacta

Limo de mediana plasticidad con gravas y arenas de color rojizo

con vetas negras, humedad natural menor al límite plástico,

Capa de base triturada grava limo arenosa, sin plasticidad, color

gris, humedad baja, compacidad compacta

Grava limo arenosa de color meteorizado, color café con vetas

amarillas, sin plasticidad, compacidad compacta

Arcilla de alta plasticidad, color negro, humedad cercana al límite

plástico, consistencia media

Arena limosa con gravas trituradas, sin plasticidad color gris,

compacidad compacta

Base granular triturada grava limo arenosa, sin

plasticidad, humedad baja, compacidad compacta

Grava areno limosa de color café con sobre tamaño >3"

humedad baja, compacidad compacta

Material de gravas limo arenoso, color café sin plasticidad.

Humedad media a alta, compacidad media a compacta

Material de relleno limo de alta plasticidad, con arenas y gravas

color rojizo amarillo, humedad menor al límite plástico,

CONVENCIONES

Page 81: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

81

7.4. CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO

El buen diseño de la estructura debe garantiza el funcionamiento de la vía, para su diseño

se consideran cargas dinámicas estimadas para un periodo de diseño, el cual está

relacionado con el nivel de transito, para esto es necesario determinar las características

mecánicas de los materiales que cumplan con los parámetros especificados en la parte

estructural como funcional ya que debe garantizar al usuario parámetros físicos

relacionados con el diseño geométrico y el índice de servicio necesario para su confort y

seguridad.

7.4.1. SUBRASANTE

De acuerdo al valor obtenido del CBR se tiene una estructura de soporte apta para la estructura de pavimento, para el cálculo del modulo resiliente de esta capa se calcula según el manual de bajos volúmenes de transito INVIAS, tabla 4.4 bajos se debe hacer una corrección del CBR, ya que se presenta un valor muy pequeño. Se toma un valor de acuerdo a la tabla 38

Tabla 38. Categorias de subrasante

Se toma un comportamiento de bueno para la subrasante, obteniendo una categoría de S3 y un valor de 7%

Donde

Page 82: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

82

7.4.2. SUB-BASE

Para trabajar el material de la subbase es necesario tomar un CRB de acuerdo a las especificaciones del INVIAS el cual establece, un mínimo de 30%.

En nomograma de la AASHTO se entra con el valor escogido del CBR para este caso un CBR: 50% y con este se determina el modulo resiliente del material

Figura 13. Nomograma para calcular coeficiente estructurar de la sub-base granular

Page 83: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

83

Para un valor de CBR de 50% en el nomograma se obtiene el valor de y un modulo resiliente

7.4.3. BASE

Para la caracterización el material debe cumplir con las especificaciones de la norma INVIAS; que exige un CBR minimo de 80% el cual debe ser analizado en el nomograma de la ASSHTO y de esta manera obtener el coeficiente a2y modulo resiliente del material.

Para este caso se toma un CBR: 80%

Figura 14. Nomograma para calcular coeficiente estructurar de la base granular

Del nomograma se obtiene un a2: 0.134 y un modulo resiliente (MR):28400Psi

Page 84: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

84

7.4.4. CARPETA ASFÁLTICA

De la caracterización dinámica se tomaron los siguientes datos: T800=53 grados

Penetración a 25 grados= 64 0.1mm

Figura 15. Índice de penetración nomogramas Van Der Poel

Temperatura de mezclado

Es necesario hallar la temperatura de la mezcla, la cual se obtiene del grafico entrando con los siguientes datos.

Page 85: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

85

Figura 16. Temperatura de mezcla

De la grafica se obtuvo la temperatura de la mezcla que es T: 38°C

Módulo de rigidez del asfalto

Page 86: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

86

Figura 17. Nomograma para el cálculo del modulo de rigidez del asfalto

En el nomograma de Van Der Poel se determina un módulo de rigidez del asfalto

Módulo de rigidez de la mezcla asfáltica

% Vol. asfalto 13.8.

% Volumen de agregados (Vg): 95.10

Page 87: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

87

Figura 18. Nomograma para el cálculo del modulo de rigidez de la carpeta asfáltica

Coeficiente estructural a1 para capas de concreto asfaltico: Se halla el coeficiente estructural a1 en función del Módulo Resiliente del concreto asfaltico

Page 88: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

88

Figura 19. Coeficiente estructural de la carpeta asfáltica

Con base en la grafica se obtiene un valor de variación del coeficiente a1= 0.45

7.5. DISEÑO DEL PAVIMENTO FLEXIBLE

La estructura del pavimento flexible se conforma por las capas de carpeta asfáltica, base,

subbase y subrasante o superficie de apoyo. Los esfuerzos que llegan a la subrasante no

pueden ser mayores a los admisibles, de lo contrario se generarían grandes

deformaciones que se reflejarían en la capa de rodadura.

Los esfuerzos generados por las cargas del tránsito, las solicitaciones a la estructura del

pavimento, son distribuidas por la estructura a la subrasante, por ello es importante hacer

un diseño que cumpla las especificaciones. Para el diseño del pavimento asfáltico se

adoptan las siguientes metodologías:

Método racional

Método de la AASHTO 93

Leyes de fatiga

7.5.1. MÉTODO AASHTO

Page 89: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

89

El diseño del pavimento flexible se hace usando en primera instancia el método de la

AASHTO, como indicador del cálculo final de espesores, por ser este método

conservador, lo que significa que los espesores arrojados por el programa son demasiado

grandes.

La tabla 39 muestra un resumen de los datos de entrada

Tabla 39. Datos de entrada para el método de la AASHTO

PERIODO DE DISEÑO 20 años

EJES EQUIVALENTES 59316869.79

Mr BASE 28368.728 (Psi)

Mr SUBBASE 17480.784 (Psi)

Mr SUBRASANTE 8876.74 (Psi)

E MEZCLA ASFÁLTICA 5066158.291

∆PSI 4.5-2.0

Cálculo del número estructural (SN):

Para el cálculo de los números estructurales de las capas del pavimento se utilizó el

programa de la AASHTO 93. Se debe tener en cuenta como datos de entrada, el nivel de

confiabilidad y la desviación estándar.

Tabla 40. Niveles de confiabilidad recomendada por AASHTO

De a cuerdo a la clasificación funcional de la vía, se escoge un porcentaje de confiabilidad

del 90%, y una desviación de So = 0.49.

Page 90: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

90

Para obtener los valores de los coeficientes m2 y m3, correspondientes a las capas de

base y subbase respectivamente, el método de la AASHTO se basa en la capacidad que

tiene el drenaje de remover la humedad interna del pavimento. Para la vía Santander de

Quilichao – Te de Villa Rica, asumiremos la calidad del drenaje de base y subbase como

bueno, es decir, que el agua es removida en un día

Tabla 41. Capacidad del drenaje para remover la humedad

En la tabla 41 se observan los valores recomendados para m2 y m3 (bases y subbases

sin estabilixar), en función de la calidad del drenaje presentan valores recomendados de

m2 y m3 (bases y sub-bases granulares sin estabilizar) en función de la calidad del

drenaje y el porcentaje del tiempo a lo largo de un año, en el cual la estructura del

pavimento pueda estar expuesta a niveles de humedad próximos a la saturación.

Tabla 42. Valores mi recomendados para modificar los coeficientes estructurales de capa bases y sub-bases sin tratamiento.

De acuerdo a la tabla anterior, tenemos que os valore de los coeficientes m2 y m3

equivalen a 1.0, una calidad de drenaje buena y el tiempo al cual está expuesta la

estructura del pavimento a niveles de humedad próxima a la saturación es moderada.

Para determinar los espesores de las capas individuales se requiere encontrar el número

estructural para proteger la capa inferior

Page 91: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

91

Imagen 3. Numero estructural.

Cálculo del número estructural de la carpeta asfaltica (SN1)

Imagen 4. Numero estructural carpeta asfaltica (SN1)

Page 92: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

92

Calculo del numero estructural de la base y la carpeta asfaltica (SN2)

Imagen 5. Numero estructural carpeta asfaltica y base (SN2)

Calculo del numero estructural de la sub-base, base y carpeta asfaltica

(SN3)

Imagen 6. Numero estructural carpeta asfaltica, base y sub-base (SN3)

Page 93: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

93

Para calcular los espesores por el método de la AASHTO, se tienen los siguientes datos:

Tabla 43. Datos para calcular espesores por método AASHTO

a1 0.45/pulgada

a2 0.134/pulgada

a3 0.125/pulgada

SN1 3.82

SN2 4.45

SN3 5.46

m2 1.0

m3 1.0

N 59.31x106

A continuación en la tabla 44 se muestran los espesores mínimos admisibles para las

capas asfálticas y la base granular

Tabla 44. Espesores mínimos admisibles para las capas asfálticas y la base granular

Page 94: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

94

Espesor de la carpeta asfáltica:

Para calcular el espesor de la carpeta asfáltica se utiliza la siguiente expresión:

De lo anterior, podemos concluir que se cumple con los espesores mínimos establecidos,

consignados en la tabla 45

Se corrige el número estructural de la carpeta asfáltica debido a la aproximación del

espesor.

Cálculo del espesor de la base

El espesor de la base calculado por el método de la ASSHTO no cumple con el espesor

mínimo permitido, por lo que se incrementa hasta 6 (in)

Page 95: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

95

Se corrige el número estructural:

Espesor de la Sub-base

Según el cálculo del espesor de la capa de sub-base se requiere dicha capa, ya que el

número estructural SN3 es mayor que SN2 es decir que la resistencia requerida para

soportar las cargas y esfuerzos transmitidos por los ejes equivalentes, no la soportan la

carpeta asfáltica y la base granular solas necesitan de la sub-base.

Según el método de la AASHTO los espesores de las capas de la estructura del

pavimento flexible son:

Page 96: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

96

Tabla 45. Espesores pavimento flexible AASTHO

CAPA H (CM)

Carpeta asfáltica 22

Base 16

Sub-base 17

7.5.2. MÉTODO RACIONAL

Partiendo de los datos de la caracterización de las capas de la estructura del pavimento,

tales como CBR, módulos resilientes (Mr) y modulo dinámico de la mezcla, se calculan los

esfuerzos y deformaciones de la carpeta asfáltica (esfuerzos por tracción) y en la

subrasante (esfuerzos por compresión), mediante el uso del software DEPAV. Los

resultados obtenidos se muestran a continuación:

Tabla 46. Características de las capas de la estructura del pavimento asfaltico

CAPA E (Kg/cm2) μ H (cm)

Carpeta asfáltica 356898.9 0,35 15

Base 1998.51 0.35 20

Subbase 1231.48 0,35 30

Subrasante 624.66 0.45

Imagen 7. Determinación de esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la

estructura diseñada.

Page 97: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

97

Imagen 8. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada

Imagen 9. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada

Cálculo de los esfuerzos admisibles

Page 98: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

98

Para calcular las deformaciones admisibles para la estructura del pavimento obtenida se

utilizan las leyes de fatiga:

Deformación admisible en la carpeta asfáltica

Donde:

Numero acumulado de ejes de 8.2 toneladas en el carril de diseño, Durante el periodo de

diseño.

Tabla 47. Coeficientes de Calage

Los valores obtenidos para los coeficientes de calage son:

Por lo tanto, reemplazando en la ecuación:

ξrCA =(0.856x13.8+1.08)x(3.5x1010)-0.36x(50154532.88/8.25)-0.2

Page 99: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

99

ξrCA= 1.438x 10-4

Deformación admisible para la subrasante

En la tabla 48 se muestran los espesores finales de cada una de las capas del pavimento

flexible, que cumplen con las deformaciones unitarias admisibles

Tabla 48. Características de las capas de la estructura del pavimento asfaltico

CAPA E (Kg/cm2) μ H (cm)

Carpeta asfáltica 356898.9 0.35 5

Base 1998.51 0.35 15

Sub-Base 1231.48 0.35 20

Sub-Rasante 624.66 0.45

Imagen 10. Determinación de esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la

estructura diseñada

Page 100: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

100

Imagen 11. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada

Imagen 12. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada

Page 101: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

101

En la tabla 49 se comparan los resultados de esfuerzos y deformaciones obtenidos por el

DEPAV y se comparan con las deformaciones admisibles arrojadas por las leyes de fatiga

Tabla 49. Comparación de las deformaciones calculadas con las admisibles.

DEFORMACIONES

CALCULADAS

DEFORMACIONES

ADMISIBLES ξCalculadas<ξAdmisibles

1.35 x 10-4 1.44x 10-4 Cumple

2.48 x 10-4 2.49 x10-4 Cumple

ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO FLEXIBLE POR MEDIO DEL METODO RACIONAL

7.6. DISEÑO DE PAVIMENTO RÍGIDO

La metodología que se utiliza para el diseño del pavimento rígido es la PCA, la cual

considera dos criterios de evaluación en el proceso de diseño:

Criterio de erosión de la subbase: Se basa en el análisis de falla del pavimento por

bombeo excesivo, erosión del suelo de soporte y diferencia en elevaciones de las

juntas.

Fatiga del pavimento de concreto: El pavimento puede fallar por excesivas

repeticiones de carga

7.6.1. DISEÑO DE PAVIMENTO RÍGIDO MEDIANTE EL MÉTODO PCA

Page 102: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

102

Para el diseño del pavimento rígido de la vía Santander de Quilichao – Te de Villa Rica,

se utiliza el método de la Portland Cement Association (PCA).

A continuación se muestran los datos necesarios para el método:

Modulo de reacción de la Subrasante:

Para el diseño del pavimento rígido, es necesario determinar el módulo de reacción de la

estructura. El módulo de reacción de la subrasante se determina de acuerdo a lo

establecido en el manual de diseño de pavimentos de concreto para vías con bajos,

medios y altos volúmenes (INVIAS), tal como se observa a continuación:

Figura 20. Relación entre la clasificación del suelo y los valores de CBR y k

Arroja un valor de Modulo de reacción de la subrasante de 46(Mpa/m)

Page 103: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

103

Tabla 50. Influencia del espesor de la base en el valor de k

De la tabla anterior se toma un espesor de la losa de 225mm y un K de la base de 61(Mpa/m)

Resistencia a la flexión del concreto

De acuerdo a la tabla 51 obtenida del manual de diseño de concreto de INVIAS, el

módulo de rotura del concreto es de para un número de camiones

en un día > 300.

Tabla 51. Resistencia que debe alcanzar el concreto

Se realiza el diseño de pavimentos rígidos por el método de la PCA, esto se hace con los valores obtenidos anteriormente. BS-PCA DISEÑO DE PAVIMENTOS RIGIDOS PCA

El primer paso es ingresar los datos con los que se cuenta

Page 104: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

104

Figura 21. Diseño pavimento rígido espesor 263 (mm)

Se proceden a ingresar las cargas por eje y sus respetivas repeticiones, tanto para eje simple como para tándem y tridem Figura 22. Repeticiones esperadas de ejes simples

Page 105: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

105

Figura 23. Repeticiones esperadas de ejes tandem

Figura 24. Repeticiones esperadas de ejes tridem

Page 106: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

106

Se obtiene un consumo total de esfuerzo de 0%, y un consumo total de erosión de 98.14% De lo anterior se determina un diseño de pavimento rígido con una resistencia K del apoyo de 61 Mpa, un espesor de la losa de 263mm (26.3cm) y un modulo de rotura de la losa de 4.5 Mpa

Page 107: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

107

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La estructura diseñada con el programa DEPAV dio como resultado

Estructura Modulo

resiliente (E) Relacion de

Poisson Espesores

(cm)

Capeta 356898.9 0.35 5

Base 1998.1 0.35 15

Sub-base 1231.48 0.3 20

Sub-rasante 624.66 0.45 ---

Comparando sus resultados con el AASHTO-93 el cual arrojo los siguientes resultados

Estructura Espesores (cm)

Carpeta Asfáltica 22

Base 16

Sub-base 17

Para el análisis del tránsito se tuvo en cuenta un periodo de diseño de 20

años para pavimento flexible y 30 años para pavimento rígido. En cuanto al

diseño de pavimento flexible se determino que el numero de ejes

equivalentes de 8.2 toneladas (Eje simple de rueda doble) que demandara la

vía para su diseño es de 59316869.74, y para el pavimento rígido se analiza

la repetición de cargas de los vehículos comerciales teniendo que la

repetición de carga de un eje simple es de 144408578.7 y para un eje

tándem las repeticiones es de 62054835.68 y repeticiones esperadas de ejes

tridem es de 11216377.35.

De los 21 apiques y análisis de suelos se tiene que el suelo característico es

grava areno limosa con presencia de arcillas cuyo valor de CBR sumergido

fue de 1.5% y un CBR sin sumergir de 2.15%, por lo tanto se recomienda el

retiro de este material por un material con un valor de CBR mayor que pueda

soportar la estructura del pavimento y las cargas dinámicas del tránsito

vehicular.

Page 108: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

108

El diseño del pavimento rígido se realizo mediante la metodología del PCA,

en el cual se conjugan las características físico-mecánicas de la capa de

soporte y la relación de los vehículos comerciales para obtener el factor

carga, como resultado se tiene un diseño de pavimento rígido conformado

por una placa de concreto de 26.3 (cm) de espesor.

Page 109: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

109

9. BIBLIOGRAFÍA

BRAJA M. Das. Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. Editorial Thomson

Learning. California State University of Sacrament. Copyright international S.A 2001.

Manual de diseño para transito de bajos volúmenes INVIAS.

Manual para la inspección de pavimentos flexibles. Bogotá D.C. Octubre de

2006 .

Pavement condition index (PCI), para pavimentos asfalticos y de concreto en

carreteras, Manizales Abril de 2006.

Memorias de clase: Ing Hugo Leon Arenas Lozano.

Memorias de clase: Julia Eugenia Ruiz.

Memoria de clase: Ing. Fernando Sánchez Sabogal.

Page 110: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

110

10. ANEXOS

Page 111: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

111

10.3. ANEXO 1: CBR

De los apiques se obtiene los CBR tanto sumergidos como no sumergidos.

CBR SIN SUMERGIR CBR SUMERGIDO

APIQUE 15 1.9 1.3

APIQUE 16 2.4 1.7

APIQUE 17 2.5 1.8

APIQUE 20 2.6 2.1

APIQUE 6 2.7 2

APIQUE 14 2.9 2

APIQUE 10 3.1 2.2

APIQUE 8 3.2 2.1

APIQUE 9 3.6 2.8

CBR SIN SUMERGIR

valor de CBR # MUESTRAS CBR >= % MUESTRAS CON VALORES

1 1.9 9 100%

2 2.4 8 89%

3 2.5 7 78%

4 2.6 6 67%

5 2.7 5 56%

6 2.9 4 44%

7 3.1 3 33%

8 3.2 2 22%

9 3.6 1 11%

De acuerdo al número de 8.2 Ton de carril de diseño normal en este caso

N 8.2 ton carril de diseño normal

59,316,869.74

Con este valor se va a la tabla y donde se calcula el valor de diseño con el cual se entra a la grafica y se obtiene el CBR.

Page 112: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

112

CLASE NIVEL DE TRAFICO VALOR DISEÑO

LIVIANO N<=10^4 Rep. 8.2 T 60%

MEDIANO 10^4--10^6 Rep. 8.2 T 75%

PESADO >=10^6 Rep. 8.2 T 87.5%

De la grafica anterior se obtiene un CBR para condiciones sin sumergir de 2.15%.

CBR SIN SUMERGIDO

valor de CBR

# MUESTRAS CBR >=

% MUESTRAS CON VALORES

1 1.3 9 100%

2 1.7 8 89%

3 1.8 7 78%

4 2 6 67%

5 2.1 4 44%

6 2.2 2 22%

7 2.8 1 11%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Títu

lo d

el e

je

Título del eje

CBR

Page 113: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

113

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Títu

lo d

el e

je

Título del eje

BCR SUMERGIDO

Page 114: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

114

ANEXO 2: Marshall

Introducción

El diseño de las mezclas bituminosas se realiza mediante procedimientos

empíricos de laboratorio y requiere las experiencias en campo para determinar si

el análisis es correcto. El método empírico más utilizado en el diseño de mezclas

asfálticas es el diseño Marshall, esta técnica fue desarrollada por Bruce Marshall

quien depuro y adiciono ciertos aspectos a las propuestas de Marshall a punto de

que el método fue normalizado como ASTM 1559. En esta técnica se determina el

porcentaje óptimo de betún y los ensayos se dirigen solo a determinar las

propiedades mecánicas de los materiales y en un futuro las del pavimento,

garantizando las proporciones volumétricas de los componentes para tener unos

rangos adecuados para una mezcla durable. El pavimento asfaltico puede tener

una vida útil de hasta 20 años siempre que se tenga un adecuado control tanto en

la dosificación, construcción y mantenimiento de todos los elementos que

componen la estructura del pavimento.

Page 115: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

115

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Determinar el contenido óptimo de asfalto para una mezcla específica de

agregados pétreos mediante el método Marshall de diseño de mezclas asfálticas

(ASTM D 1559).

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Determinación de la granulometría de los agregados pétreos finos, gruesos

y llenante mineral (INV 213 – 215).

Determinación del índice de aplanamiento y alargamiento de los agregados

para carreteras (INV 230).

Determinación del equivalente de arena de suelos y agregados finos (INV

133).

Determinar la gravedad específica y absorción de agregados gruesos (INV

223).

Determinación de la resistencia de la mezcla asfáltica en caliente

empleando el aparato Marshall (Ensayos a las briquetas INV 748).

Page 116: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

116

GENERALIDADES

Los pavimentos son estructuras construidas por capas de diversos materiales

seleccionados, superpuestas colocadas y compactadas sobre la superficie del

terreno. La estructura de un pavimento está construida especialmente para la

circulación del tráfico automotor por lo que es una solución económica y eficaz. En

Colombia la construcción de carreteras se inicio prácticamente hacia 1930 y la

pavimentación de vías hacia 1945.

Existen tres clases de pavimentos, dependiendo del material de construcción y la

forma como recibe y controlan las cargas:

Flexible: La superficie se apoya sobre una o mas capas que ayudan a

soportar las cargas. Proporcionan una superficie de rodadura muy

confortable para el usuario de la vía.

Articulado: construido con adoquines, que se colocan sobre una capa de

arena. Esta se apoya sobre una capa granular o directamente sobre la

subrasante.

Regido: se compone de una losa de concreto hidráulico colocadas sobre

una o varias capas de material seleccionado. La capacidad estructural

depende casi totalmente de la losa.

Los asfaltos están compuestos fundamentalmente por asfaltenos que

proporcionan las características estructurales y de dureza el asfalto, por resinas

que asumen las propiedades cementante y/o aglutinantes, y por aceites que

aportan una adecuada consistencia y trabajabilidad. Los asfaltos están

compuestos en gran parte por hidrocarburos de consistencia semisólida a

temperatura ambiente, pero pueden ser más fluidos a medida que incrementa su

temperatura.

Page 117: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

117

MARCO TEORICO

El marco conceptual referente para la realización de los respectivos ensayos y

características de los diversos materiales empleados son las correspondiente

normas del Instituto Nacional de Vias INV o sus equivalentes ASTM (Ver Anexos),

por lo cual para efectos del presente documento se presentará a grandes rasgos

los conceptos fundamentales a considerar para un diseño por el método Marshall.

El contenido óptimo de asfalto para un material de carpeta es la cantidad de

asfalto que forma una membrana alrededor de las partículas, de espesor suficiente

para resistir los elementos del intemperismo evitando que el asfalto se oxide con

rapidez. Por otro lado, no debe ser tan gruesa como para que la mezcla pierda

estabilidad, es decir, deformación excesiva por flujo plástico o resistencia y no

soporte las cargas de los vehículos.

El método consiste en ensayar una serie de probetas, cada una preparada con la

misma granulometría y con diferentes contenidos de asfalto. El tamaño de las

probetas es de 2.5 pulgadas de espesor y 4 pulgadas de diámetro. Dichas

probetas se preparan siguiendo un procedimiento específico para calentar el

asfalto y los agregados, mezclar y compactar.

Las probetas preparadas con el método se rompen en la prensa Marshall,

determinado su estabilidad (resistencia) y deformación. Si se desean conocer los

porcentajes de vacíos de las mezclas así fabricadas, se determinarán previamente

los pesos específicos de los materiales empleados y de las probetas

compactadas, antes del ensayo de rotura.

Page 118: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

118

Definiciones

Vacíos en el Agregado Mineral (VMA): Es el volumen ocupado por el asfalto

efectivo y los vacíos atrapados entre los agregados recubiertos, se expresa como

un porcentaje del volumen total de la muestra.

Asfalto efectivo (Pbe): Es el contenido de asfalto total de la mezcla menos la

porción de asfalto que se pierde por absorción dentro de la partícula de agregado.

Vacíos de aire (Va): Es el volumen de aire atrapado, entre las partículas de

agregado recubierto por asfalto, luego de la compactación.

Vacíos llenos con asfalto (VFA): Es el volumen ocupado por el asfalto efectivo ó

el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, ocupado por asfalto.

Donde:

Vma = Volumen de vacios en el agregado mineral

Vmb = Volumen bulk de la mezcla compactada

Vmm = Volumen de la mezcla suelta

Page 119: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

119

Vfa = Volumen de vacíos llenos con asfalto

Va = Volumen de vacíos de aire

Vb = Volumen de asfalto

Vba = Volumen de asfalto absorbido

Vsb = Volumen de agregado mineral (para gravedad específica bulk)

Vse = Volumen de agregado mineral (para gravedad específica efectiva).

PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS DE MEZCLAS ASFÁLTICAS

Se listan todas las mediciones y cálculos necesarios para el análisis de vacíos:

a) Medir la gravedad específica bulk del agregado grueso y del agregado fino.

b) Medir la gravedad específica del cemento asfáltico.

c) Calcular la gravedad específica bulk de la combinación de agregados en la

mezcla.

d) Medir la Gravedad Específica Teórica Máxima de la mezcla suelta.

e) Medir la Gravedad Específica Bulk de la mezcla compactada.

f) Calcular la Gravedad Específica Efectiva del Agregado.

g) Calcular la Gravedad Específica Teórica Máxima de la mezcla para otros

contenidos de asfalto

h) Calcular el porcentaje de asfalto absorbido por el agregado, Pba.

i) Calcular el contenido de asfalto efectivo de la mezcla, Pbe.

j) Calcular el porcentaje de vacíos de la mezcla compactada, VMA.

k) Calcular el porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada, Va

l) Calcular el porcentaje de vacíos llenos con asfalto.

Page 120: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

120

Ecuaciones A Emplear

Densidad

Determinación De Masa

Determinación De Volúmenes

Page 121: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

121

ENSAYOS DE LABORATORIO REALIZADO A LOS MATERIALES

Acorde con las normativas nacionales, a los materiales precursores de la mezcla

asfáltica se les realizaran los siguientes ensayos:

ENSAYOS A LOS AGREGADOS

Análisis Granulométrico (INV 213-07, INV 215-07)

Page 122: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

122

Índice de Alargamiento Y Aplanamiento (INV 227-07, INV 230-07)

Page 123: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

123

Gravedad específica y absorción de agregado grueso (INV 223-07)

Page 124: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

124

Page 125: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

125

Equivalente de arena de agregados finos (INV 133-07)

Page 126: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

126

Page 127: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

127

Ensayo de equivalencia de arenas 33-07 del INVIAS

Page 128: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

128

Ensayo de desgaste de en la máquina de los ángeles INV. E 218-07

Page 129: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

129

Page 130: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

130

Page 131: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

131

DISEÑO MEZCLA ASFALTICA

DETERMINACION DE LAS TEMPERATURAS DE MEZCLA Y COMPACTACION

La temperatura de los agregados deberá superar en 20°C a la del cemento

asfaltico durante la mezcla, la Planta de Ingeniería de Vías proporciona los valores

de mezcla de los agregados con el cemento asfaltico siendo la temperatura para el

cemento asfaltico de 148ºC y la temperatura de los agregados de 168ºC.

DETERMINACION DE LAS PROPORCIONES DE MEZCLA

Según la Norma Invias se tiene unas gradaciones ideales de los materiales

pétreos integrantes de una mezcla asfáltica MDC-2, los materiales que se tiene

para el diseño de la mezcla no cumplen por si solos, estos deben ser mezclados

en las proporciones ideales para que la curva granulométrica se encuentre entre el

rango permitido.

Realizando un ensayo por tanteo a continuación se muestran los porcentajes de

cada agregado que cumplen dentro de los límites de las especificaciones:

Page 132: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

132

En la grafica se puede observar que la línea azul y roja son los límites de la

especificación para una mezcla MDC-2, mientras que la línea verde es la

gradación de los materiales combinado en el porcentaje indicado en tabla anterior

que son de 28% para grava triturada, 55% de agregado intermedio, 14% de arena

natural y 3% de llenante.

Estos porcentajes de material se deben convertir a peso para ser mezclados en

laboratorio en las cantidades exactas para ello se debe descontar del 100% de la

mezcla el porcentaje de asfalto que se desea incorporar y con el porcentaje

restante se obtiene las nuevas proporciones de acuerdo al porcentaje de cada

material, considerando que por investigaciones y experiencia de laboratoristas e

ingenieros que el peso por cada briqueta es de 1200 g, los pesos de cada material

por briqueta se presentan a continuación:

ENSAYOS SOBRE LAS PROBETAS COMPACTADAS

En el método de ensayo Marshall cada muestra compactada se somete a los

siguientes ensayos en el orden indicado:

a) Determinación del peso especifico “bulk”

b) Ensayo de estabilidad y flujo

c) Análisis de densidad y vacios

Page 133: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

133

DETERMINACION DEL PESO ESPECÍFICO BULK DE LAS PROBETAS

COMPACTADAS

El peso especifico bulk de una probeta compactada es la relación entre su peso en

el aire y su volumen incluyendo los vacios permeables.

Si la probeta tiene una textura superficial densa e impermeable, su peso especifico

bulk se determina sencillamente mediante la expresión:

Donde,

Wa= Peso de la probeta seca en el aire

Ww= Peso de la probeta e el agua

Wss= Peso en el aire de la probeta saturada y superficialmente seca

Luego de realizar los ensayos a las briquetas elaborados se obtuvo la siguiente

información:

Con los datos obtenidos calculamos el peso específico BULK

Page 134: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

134

Page 135: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

135

ENSAYO DE ESTABILIDAD Y FLUJO

Los resultados de las briquetas ensayadas son:

Page 136: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

136

Calculo de volumétricos

Page 137: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

137

DISEÑO MEZCLA ASFALTICA METODO MARSHALL

Page 138: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

138

SELECCIÓN DEL PORCENTAJE ÓPTIMO DE ASFALTO

Para la selección del porcentaje óptimo de asfalto ingresamos a la grafica

volúmenes de vacios Vs Porcentaje de asfalto, con un % de vacios del 4% y

seleccionamos el contenido optimo de asfalto. Una vez determinado el porcentaje

optimo de asfalto ingresamos al resto de las demás graficas que se relacionan a

continuación y se obtiene la formula de trabajo.

De esta grafica tenemos un % de asfalto Pb=5.6%

Grafica Volumen de vacios Vs % Asfalto

Page 139: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

139

Grafica Densidad bulk Vs % Asfalto

Grafica Vacios en los agregados Vs % Asfalto

Page 140: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

140

Grafica Estabilidad Vs % Asfalto

Grafica Flujo Vs % Asfalto

Page 141: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

141

ANÁLISIS DE RESULTADOS

FORMULA DE TRABAJO

De las graficas anteriores determinamos la formula de trabajo, cuyos resultados

son:

Grafica % Vacios Llenos de Asfalto Vs % Asfalto

Page 142: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

142

Características Cumplimiento para >5*106

Compactación, golpes/caras si

Estabilidad minima KG si

Flujo mm si

Vacios con aire: Capa de rodadura%

base asfáltica % si

Vacios minimos en agregado

minerales: Gradacion MDC1%,

Gradacion MDC2, Gradacion MDC3

no

Vacios llenos de asfalto no

Page 143: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

143

Digrama de faces

Gse 2.7830318

Mm 2.49

Mb 0.13944

Ms 2.35056

Vse 0.84460408

Vsb 0.95105016

Vb 0.13803207

Vba 0.10644609

Vbe 0.03158599

Va 0.01736385

Mbe 0.03190816

Mba 0.10753184

Cont. Aire 1.73638516

VAM 4.89498387

Vbe+va 0.04894984

VFA 64.5272546

Cont. Asf. Efect. 1.28145237

Cont. Asf.

Absor. 4.57473265

Den. Esp. Téor.

Máx. 2.534

Page 144: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

144

8.0 CONCLUSIONES

La combinación de agregados propuesta no cumple con la dosificación, ya

que el rango de material llenante o filler es del 9% se considera que es un

porcentaje muy alto para este material.

Uno de los posibles procedimientos que llevaron a que esta propuesta de

dosificación no fuera adecuado es el instrumentos de laboratorio para

realizar el baño maría de las briquetas ya que este se realiza de una

manera muy artesanal sin garantizar la temperatura constante de las

briqueta.

Otra justificación al comportamiento de este ensayo es que las variables

son difícil de controlar ya que la manipulación del material por un gran

numero de personas puede ocasionar diferencia en el protocolo y alterar

resultados.

Page 145: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO · PDF fileDiseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27 6.5. Tránsito 28 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

145

Se presenta la totalidad de los datos obtenidos en laboratorio ya que sin

ellos no se puede hacer una correcta verificación de los valores obtenidos

en la formulación de trabajo de la mezcla.

El laboratorio de solides no se anexa en este documento por factores de

demora.

El volumen de asfalto a usar es de 13.8 cm3

El volumen de agregado es de 95.10cm3

El porcentaje de vacios optimo que dio por el método Marshall fue de %5.6