Diseño Estructural de Pavimentos

Universidad Nacional del Comahue

Facultad de Ingeniería Cátedra de Vías de Comunicación

Materiales

Bituminosos

Año 2010

Diseño de Pavimentos 2

Indice

1. Método C.B.R..........................................................................................................................................................1 1.1 Introducción ................................................................................................................................................... 1 1.2 Descripción del método.................................................................................................................................. 1 1.3 Ejemplos – Método CBR ............................................................................................................................... 5 1.4 Recomendaciones importantes ....................................................................................................................... 6

2. Método A.A.S.H.O.. .............................................................................................................................................. 10 2.1 Introducción. ................................................................................................................................................ 10 2.2 Características generales de la carretera experimental AASHO. ................................................................. 10 2.3 Características climáticas de la región ......................................................................................................... 11 2.4 Características de la zona y del subsuelo ..................................................................................................... 14 2.5 Materiales empleados en las capas de pavimentos. ...................................................................................... 14 2.6 Tránsito ........................................................................................................................................................ 15 2.7 Pavimentos flexibles .................................................................................................................................... 21 2.8 Diseño de un pavimento flexible.................................................................................................................. 22 2.9 Método de diseño AASHO modificado en 1986.......................................................................................... 27

Generalidades.......................................................................................................................................... 27 Guía AASHO 1986................................................................................................................................. 28 Ecuación de diseño ................................................................................................................................. 28 Confiablilidad ......................................................................................................................................... 29 Distribución probabilística de las desviaciones basicas .......................................................................... 29 Caracterización de los materiales............................................................................................................ 30 Modificaciones intrducidas al método original ....................................................................................... 33 Comparación del nuevo método AASHTO 1986 con Interim Guide 1972 ............................................ 34

3. Método Shell.......................................................................................................................................................... 35 3.1 Introducción ................................................................................................................................................. 35 3.2 Principios de diseño ..................................................................................................................................... 36 3.3 Procedimiento de diseño ..............................................................................................................................36 3.4 Aspectos constructivos................................................................................................................................. 38 3.5 Ejemplos – Método Shell ............................................................................................................................. 39 3.6 Tablas y gráficos .......................................................................................................................................... 41

4. Método del Índice del Congelamiento................................................................................................................. 54 4.1 Introducción ................................................................................................................................................. 54 4.2 Formación de las lentículas de hielo ............................................................................................................ 54 4.3 Efectos perjudiciales de la heladas en los pavimentos ................................................................................. 55 4.4 Características del material drenante............................................................................................................ 55 4.5 Clasificación de los suelos por su susceptibilidad a las heladas................................................................... 56 4.6 Indice de congelamiento............................................................................................................................... 57 4.7 Penetración de la helada............................................................................................................................... 58 4.8 Características de la base anticongelante ..................................................................................................... 60 4.9 Método de diseño ......................................................................................................................................... 60

Método de Protección Completa............................................................................................................. 61 Método de Penetración Limitada ............................................................................................................ 61 Método de Resistencia Reducida ............................................................................................................ 63

4.10 Transposición del índice de congelamiento................................................................................................ 66 4.11 Recomendaciones generales....................................................................................................................... 66

1.1 INTRODUCCION Diseñar es determinar los espesores y las calidades de las distintas capas de material que

conformaran el pavimento. Es decir que se trata de definir geométrica y mecánicamente la estructura de pavimento.

A grandes rasgos, las variables que intervienen en el diseño de pavimentos son:

• La carga de tránsito. • Características del material. • Material de la sub-rasante. • Clima.

También see debe tener muy presente el proceso constructivo y la conservación.

1.2 DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO El Método del California Beaming Ratio (CBR) fue desarrollado, precisamente, en la ciudad de

California EE.UU en el año 1930 por el ingeniero Porter. El método es totalmente empírico plantea la vinculación entre el espesor de una capa de

material y las características de la sub-rasante, basándose en la expresión de Bousinesq:

r

r

r

r p

r

impronta

σ1 < σadm

σ2 < σadm

σ3 < σadm

Las expresiones halladas fueron las siguientes:

5

.150100

++=

CBR

Pe CBR>3

e: espesor (cm) P: carga por rueda (t)

1

Método C.B.R.


πA

CBR

pe −=

.1,8 CBR<3

p: presión de inflada (lb/pg2) A: área de la impronta (pg2) Para diferentes valores de CBR y cargas por rueda, o por eje, se han determinado los

respectivos espesores de pavimentos, en base a datos experimentales. Los diferentes organismos viales y técnicos, han elaborado curvas para facilitar este cálculo, y en la actualidad se conoce un sinnúmero de gráficos para la determinación de espesores de pavimentos flexibles, en función del CBR.

A guía de curiosidad indicamos en la figura IV-16 el primer gráfico que fue publicado por el Departamento de Carreteras de California.

En las figuras IV-17, IV-17A, y IV-19, se señalan algunas de las varias curva empleadas, hoy

en día, para el cálculo de pavimentos flexibles, tanto de carreteras como de aeropuertos. En estos gráficos no se considera la influencia de las heladas.

En la construcción de un pavimento flexible, se recomienda que el material para la sub-base tenga un CBR mayor de 15%. El material para base debe tener un CBR mayor de 40%, cuando las cargas por rueda son menores de 10.000 libra (4,540 Kg.), como es el caso de las carreteras en general, y un CBR no menor de 80%, cuando las cargas por rueda son mayores de 10.000 libras, como sucede en 1 mayor parte de las pistas de aterrizaje.

Método C.B.R. 3


Método C.B.R. 5

1.3 EJEMPLOS - MÉTODO CBR Diseño del pavimento de una carretera o calle:

Se construye una carretera sobre un terreno que tiene un CBR = 5%. Determinar el espesor del pavimento para cargas por rueda de 4.540kg (10.000 lb).

Como el CBR del terreno de fundación es bajo, necesitaremos los siguientes materiales: a) Un material de préstamo cuyo CBR sea igual o mayor del 15%, como sub-base.

b) Un material para la capa de base, cuyo CBR sea superior a 40%. Supongamos que analizados los materiales de sub-base y base, se obtengan lo siguientes

valores: Material de préstamo CBR = l8% (Para sub-base) Material de base CBR = 65% (Para base) Según el gráfico de la figura IV-17 tendríamos, para una carga por rueda de 4,540 Kg. y un

CBR de 5%, un espesor combinado de 42 cm., aproximadamente. Como el material de préstamo tiene un CBR de 18%, el espesor encima de este material sería

de 20 centímetros. Luego, tendríamos: 42 — 20 = 22 cm., de material de préstamo. Además, como el material para base tiene un CBR de 65%, el espesor encima de la base (capa

de rodamiento), sería de 9 centímetros. Por lo tanto tendremos:

Espesor de la sub-base 22

Espesor de la base 11

Espesor de la capa de rodamiento 9

Espesor total del pavimento 42 cm.

En el nomograma de la figura IV-17-A, se correlacionan las curvas para el cálculo de

pavimentos flexibles, con las características de la sub-rasante, sub-base o base. Así mismo, se correlaciona el CBR con el Índice de Grupo, el valor residente R y el valor soporte obtenido mediante ensayos de carga directa.

Diseño del pavimento de una aeropista: En la figura IV-l8, se representa la sección y plano de una aeropista.


Sea un terreno de fundación con un suelo arcilloso cuyo CBR es de 3%. La carga por rueda de diseño es de 75.000 libras. Existen, asimismo, zonas de préstamo convenientemente situadas, cuyos materiales, una vez analizados en laboratorio, arrojan los siguientes resultados:

Material gravo-areno-arcilloso CBR = 20% Material gravo-arenoso (granzón) CBR = 45% Se dispone, además, de piedra triturada, cuyo CBR = 80% Según el gráfico de la figura IV- 17, para un terreno de fundación cuyo CBR = 3% el espesor

total del pavimento será de 125 cm. (50”). El material grava-arena que se colocaría como sub-base, tiene un CBR de 20%. Encima de la

sub-base, según el gráfico, habría que colocar 38 cm. (15”), de base + capa de rodamiento. Luego, el espesor de la sub-base será: 125 - 38 = 87 centímetros. Además, si utilizamos el granzón cuyo CBR = 45%, tendremos que colocar encima de este material un espesor combinado de base + capa de rodamiento, de 15 cm. (6”). La capa de granzón tendría, por lo tanto, un espesor de 38 -15 23 centímetros.

Los 15 cm. (6”) restantes, podrían distribuirse así: Una capa de rodamiento de concreto asfáltico, de 5 centímetros de espesor, sobre una base superior de piedra picada de 10 centímetros.

Como para cargas por rueda mayores de 16.800 Kg. (37.000 lb.), se recomienda que se utilice para los últimos 15 cm. de base, un material cuyo CBR sea igual o mayor a 80%, se podrían modificar los espesores anteriormente obtenidos, en la siguiente forma:

Sub-base con material de préstamo (CBR = 20%) 87

Base inferior, de granzón (CBR = 45%) 18 (en lugar de 23)

Base superior, de piedra triturada (CBR = 80%) 15 (en lugar de 10)

Capa de rodamiento, de concreto asfáltico 5

Espesor total del pavimento 125 cm.

1.4 RECOMENDACIONES IMPORTANTES Para el diseño de aeropistas (runways) y pistas de maniobra (taxiways), deben tenerse

presentes las recomendaciones dadas por la Agencia Federal de Aeronáutica Civil de los Estados Unidos (Federal Aviation Agency).

La FAA, recomienda aumentar en un 20% los espesores obtenidos mediante el gráfico de la figura IV-17, en los siguientes lugares:

a) En las pistas de maniobra y pistas de aterrizaje utilizadas en operaciones de maniobra (taxiing), a fin de aminorar el efecto vibratorio producido por los motores . b) En los últimos 500 pies (152 m aproximadamente) de ambos extremos de la aeropista, pues en estas zonas se llevan a cabo, generalmente, la mayor parte de los despegues y aterrizajes. Este aumento de espesor se hace a la sub-base, o a la base en caso de no existir la capa de sub-base. Como la zona central, a lo largo del eje de la pista, soporta la mayor parte de las cargas de

impacto al producirse el aterrizaje de aviones y, asimismo, el efecto vibratorio de los motores, su espesor debe ser mayor que el de las zonas longitudinales que queden a ambos lados de la línea central. El espesor del pavimento (considerando la sección trasversal) puede disminuir progresivamente, a partir de la línea central, hacia la derecha e izquierda, hasta llegar a un 20% de reducción en las zonas laterales extremas.

Asimismo, la FAA recomienda aumentar la capa de rodamiento en 0,5 pulgada (1,3 cm.), cuando ésta no exceda de 2” (5 cm.) de espesor, en los siguientes lugares .

a) En los últimos 200 pies (61 m) de las aeropistas, y b) En las pistas de maniobras, vecinas. Cuando los aeropuertos son de “servicio limitado”, se recomienda disminuir en un 20% los

espesores indicados en el gráfico de la figura IV-17. En la figura IV-19 se indican los espesores de pavimento para pistas de servicio continuo y limitado. Obsérvese que las pistas de aterrizaje y de maniobra correspondientes a los aeropuertos de servicio continuo, tienen espesores mayores, en un 20%, que los de servicio limitado.

Para capas de rodamiento de concreto asfáltico, del tipo de “mezclas calientes en planta”, se aconseja emplear los siguientes espesores:

Carga por rueda Espesor de la capa de rodamiento Hasta 15.000 lb. (6.810 Kg.) 1,5” (3,8 cm.) mínimo Hasta 37.000 lb. (16.800 Kg.) 3,0” (7,5 cm.) mínimo Mayores de 37.000 lb. (16.800 Kg.) 3,0” – 6,0” (7,5 – 15 cm.)

Método C.B.R. 7

Para las diferentes cargas por rueda, los CBR mínimos que deben tener los materiales para capas de base, son los siguientes:

Carga por rueda CBR, mínimo, para los últimos 15 cm. de base 5.000 a 15.000 lb. (2.270 a 6.810 Kg.) 50 % 15.000 a 37.000 lb. (6.810 a 16.800 Kg.) 65 %

37.000 lb. en adelante (16.800 Kg. en adelante) 80 % o mas


Si el material del terreno de fundación es arenoso y hay peligro de que se sature, es aconsejable

compactarlo hasta una profundidad no menor a una vez y medio el ancho del área cargada, o sea aproximadamente a 1 ½ veces el diámetro del área de contacto de llanta, suponiendo que esta área de contacto sea un círculo. Esto es particularmente importante en las aeropistas y pistas de maniobra (taxiways), pues de no estar debidamente compactado el terreno de fundación, existe el peligro que la arena se “afloje” y tienda a deslizarse, a causa de la acción vibratoria de los motores.

Cuando no sea posible compactar el terreno de fundación a humedad óptima y máxima densidad, el CBR debe determinarse para el grado de compactación del material alcanzado en el terreno.

Algunas veces, se presenta el caso de que la posibilidad de saturación de un terreno es muy remota. En este caso, es aconsejable determinar el CBR para la condición de humedad que se considere predominante.

El nomograma de la figura IV-20, ha sido preparado para determinar la carga admisible en una aeropista ya construida, conociendo su CBR y el espesor del pavimento.

Para determinar el espesor de una pista de aterrizaje o de maniobra mediante este nomograma, únanse con una recta los puntos que correspondan a la carga por rueda y CBR dados.

En la intersección de esta recta con la correspondiente a los espesores, se obtendrá el resultado que se busca. Así, por ejemplo, si el CBR de un terreno es 15% y se proyecta construir una aeropista de tránsito continuo, para aviones con cargas por rueda de 75.000 libras (34.050 Kg.), tendremos que el espesor total del pavimento será de:

48 cm. para aeropistas (runways), y 56 cm. para pistas de maniobra (taxiways), Hacemos notar que estos espesores son aproximados. El diseño definitivo, como es lógico

suponer, estará supeditado a las características propias de la obra y lugar. Téngase presente que los terrenos de fundación cuyo CBR es menor del 15%, necesitan una

capa de sub-base. En cambio, los suelos con CBR mayores del 15% solo requieren de base y capa de rodamiento.

Método C.B.R. 9

2.1 INTRODUCCION Desde 1922, cuando el Departamento de Obras Públicas del Estado de Illinois construyó la

Carretera Experimental Bates, se llevaron a cabo investigaciones varias, en carreteras especialmente diseñadas, para determinar la relación existente entre los esfuerzos trasmitidos por los vehículos automotores y el comportamiento de los pavimentos sometidos a dichos esfuerzos. Estas investigaciones fueron auspiciadas y financiadas por varios organismos y entidades privadas, como el Bureau of Public Roads, el Highway Research Board (WASHO Road Test.), etc., tanto en los Estados Unidos, como en Europa. Sin embargo, la Carretera Experimental AASHO, es, hasta hoy, sin duda alguna, la de mayor importancia.

Los resultados obtenidos de los múltiples ensayos realizados, se hallan descritos en varios volúmenes publicados por el Highway Research Board de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos, a cuyo cargo estuvo la dirección y administración del proyecto.

2.2 CARACTERISTICAS GENERALES DE LA CARRETERA EXPER IMENTAL AASHO. En 1956 se empezó a construir la Carretera Experimental AASHO en los EE.UU. Esta

carretera experimental costó, incluyendo las pruebas efectuadas, más de 27 millones de dólares. El proyecto de esta Carretera Experimental fue sugerido y auspiciado por la AASHO, de ahí su

nombre. Fue construida en el Estado de Illinois, aproximadamente a unos 128 Km. al sur - este de Chicago, entre las ciudades de Ottawa y Utica cerca de la carretera nacional U.S. 6 existente (figura IV-38).

La Carretera Experimental AASHO, que se indica en forma esquemática en la figura IV-38, se componía de 6 “circuitos” que tenían la forma de ojal. En la figuras 2 y 3 se indican los “circuitos”. La longitud de las tangentes era la siguiente:

• Circuito 1: 610 metros • Circuito 2: 1.342 metros • Circuitos 3, 4,5. y 6: 2.074 metros.

2

Método A.A.S.H.O.

Método A.A.S.H.O. 11

Cada circuito se componía de vías o pistas. Las situadas al Norte se destinaron a pavimentos

flexibles y las del Sur a pavimentos rígidos. El circuito 1 no fue sometido al tránsito y se destinó a ensayos especiales. El circuito 2 fue sometido a cargas dinámicas pequeñas (camiones pequeños) y los circuitos 3, 4, 5 y 6 a cargas pesadas (camiones de tipo tractor - semitrailer). En los circuitos 5 y 6, como puede verse en la figura IV-40, se ensayaron, además de los pavimentos flexibles y rígidos, puentes de concreto reforzado, pretensado y metálicos que tenían aproximadamente 15 metros de luz y 4.0 metros de ancho.

En los seis circuitos se construyeron, con diferentes espesores, 836 secciones de pavimentos.

Las secciones tenían 4,60 metros de longitud en el circuito 1 y 30,50 metros en los otros circuitos. Las secciones estructurales estaban separadas por pequeñas secciones de transición. Con excepción del circuito 1, estas secciones fueron sometidas a cargas por “eje sencillo” que variaban de 910 a 13.610 Kg. aproximadamente (2.000 a 30.000 libras) y a cargas por “eje tandem” de 10.890 a 21.770 Kg. (24.000 a 48.000 libras). El tránsito se mantuvo 18 horas diarias, siete días a la semana, durante dos años.

Si bien la Carretera Experimental AASHO ha sido construida hace algún tiempo (1956-1960), es aún hoy en día (1975) de gran utilidad por su valor técnico y seguirá siendo, por muchos años, la carretera experimental de referencia obligada.

2.3 CARACTERISTICAS CLIMÁTICAS DE LA REGION DONDE S E CONSTRUYO LA CARRETERA EXPERIMENTAL AASHO.

Generalidades

Para un mejor conocimiento o interpretación de los resultados obtenidos de lo ensayos efectuados en la Carretera Experimental AASHO, es necesario conocer las condiciones climáticas existentes en el sitio donde se construyó dicha Carretera Experimental, que fue el Condado La Salle, en el Estado de Illinois de los Estados Unidos de Norte América.

Temperatura

Como se indica en la figura IV-41, tas temperaturas promedio mensuales, registradas en el sitio donde se construyó la Carretera Experimental AASHO, variaban de un máximo de 32,2° C (90° F) durante el verano, a un mínimo de -l5,0° C (5° F) durante el invierno.


Humedad relativa

La humedad relativa, promedio mensual, en la Carretera Experimental AASHO, se halla indicada en la figura IV-42. La máxima humedad relativa es alrededor de 95% y la mínima de 30%.

Precipitación

El histograma en la figura IV-43, indica la precipitación, promedio mensual, registrada en la Carretera Experimental AASHO, durante los años 1956 a 1961. En base a este histograma, podemos establecer que la precipitación media anual era de 860 mm (34 pulgadas).

Heladas

En la figura IV-44, se dan a conocer las profundidades a las cuales alcanzaron las heladas en el terraplén y debajo de los pavimentos flexibles y rígidos, construidos en la Carretera Experimental AASHO. Como puede verse en dicha figura, una vez pavimentadas las secciones, las heladas alcanzaron cerca de un metro de profundidad, habiéndose registrado de 1958 a 1961, la mayor profundidad promedio en los pavimentos rígidos.


Hemos dado a conocer, a grandes r las características climáticas del Condado La Salle en el Estado de Illinois, donde se realizaron las pruebas de la Carretera Experimental AASHO, porque consideramos que el “comportamiento” de un pavimento, especialmente si es flexible (en los pavimentos rígidos el efecto climático no es tan significativo) es una función directa del clima de la región. Así por ejemplo, vemos en la figura IV-45, como varían en las diferentes épocas del año las características físicas del terraplén, sub-base y base en los pavimentos flexibles. Al mirar, en distintas estaciones, el contenido de humedad del material existente en el terreno de fundación, en la sub-base, o en la base, varía también la capacidad de soporte del sistema suelo-pavimento.

Por ejemplo, que para una carga de 18.000 lb. por eje sencillo en el circuito 3 una capa de

rodamiento de 3” a l0° C (50° F) registró una deflexión de 0,066 cm. (0,026 pulg.); en cambio a 30° C (86° F), la deflexión registrada es de 0.108 cm. (0.043 pulg.), o sea prácticamente el doble.

Además, debe tenerse presente que un pavimento, sea éste flexible o rígido, tiene una temperatura distinta a diferentes horas del día, manteniendo cierta relación con la temperatura ambiental. En la figura IV-47, indicamos las variaciones de temperatura de un pavimento durante las diferentes horas del día. Vemos que el sistema suelo-pavimento tiene una variación de temperatura muy diferente, de medio día hasta las 6 p.m., a la alcanzada durante las primeras horas de la mañana o últimas del día. Por lo tanto, cuando se ejecuten ensayos, con fines comparativos, ellos no deben realizarse en forma indiscriminada a cualquier hora del día, sino que es conveniente efectuarlos a horas determinadas, a fin de que los resultados puedan compararse racionalmente y la “evaluación” que se haga sea representativa del “comportamiento” del pavimento estudiado.

Las condiciones climáticas influyen, en forma determinante, en el “comportamiento” del sistema suelo-pavimento. Por lo tanto, un pavimento de idénticas características se comportará en forma diferente, si las condiciones climáticas varían. De ahí que hagamos hincapié en la necesidad de establecer registros de temperatura, precipitación, humedad, etc., en las diferentes zonas donde se construyan carretera o autopistas, a fin de poder correlacionar los resultados derivados de la Carretera Experimental AASHO con el “comportamiento” de los pavimentos que se estudien o investiguen. Aplicar indistintamente los resultados obtenidos en otros países o en otras regiones, a la construcción y pavimentación de carreteras y autopistas es ilógico. Los resultados obtenidos en la Carretera Experimental AASHO, deberían necesariamente, condicionarse a los factores climáticos de cada país.


2.4 CARACTERISTICAS DE LA ZONA Y DEL SUBSUELO DONDE FUE CONSTRUIDA LA CARRETERA EXPERIMENTAL AASHO.

La topografía del sitio donde se construyó la Carretera Experimental AASHO es ligeramente ondulada, con elevaciones de 184.0 a 194.0 metros sobre el nivel de mar. La zona estuvo cubierta por nieve durante varios períodos glaciales. Los materiales del subsuelo provienen de una delgada capa de “loess” depositado, en forma relativamente uniforme, durante el período post-glacial. El lecho rocoso se encuentra a muy poca profundidad, entre 3.0 y 9.0 metros, debajo de la superficie.

Terreno de fundación de la Carretera Experimental A ASHO

El subsuelo en el sitio donde se construyó la Carretera Experimental AASHO está formado, en los primeros metros (0.6 a 1.2 m.), por suelos A-7-6, debajo de lo cuales se encuentran otros de características A.6.

A fin de tener un terreno de fundación de características uniformes, se construyo encima del terreno natural, indicado anteriormente, un terraplén de 1.0 m. (3 pies) de espesor, cuyas características físicas se dan a conocer en el Cuadro IV-3.

Este terraplén se construyó compactando los materiales de préstamo en capas d 10 cm. de

espesor, hasta alcanzar un mínimo de 95% de la densidad máxima. El contenido de humedad del material se controló entre -2% y +2% de la óptima. Este control de calidad fue riguroso tanto en el laboratorio como en el campo

Durante la construcción del terraplén, se realizaron alrededor de 50.000 ensayos de compactación.

Como el secado de las muestras tomaba muchas horas utilizando los hornos de tipo corriente, se diseñó una batería de lámparas de rayos infrarrojos que permitía el secado de las muestras en 23 minutos.

La coordinación de los trabajos de campo y laboratorio durante la compactación del terraplén, se hizo de tal forma que solo se empleaban 90 minutos desde la toma de la muestra hasta la entrega de los resultados de los ensayos de compactación. En estos 90 minutos debían hacerse las siguientes operaciones:

• obtener muestras en el campo • remitirlas al laboratorio • ejecutar los ensayos, analizarlos e interpretarlos • enviar los correspondientes informes a los ingenieros residentes de la obra.

2.5 MATERIALES EMPLEADOS EN LAS DIFERENTES CAPAS DE LOS PAVIMENTOS ENSAYADOS EN LA CARRETERA EXPERIMENTAL AASHO.

Tanto los pavimentos flexibles, bituminosos, como los rígidos, de concreto de cemento Pórtland, se construyeron en la Carretera Experimental AASHO sobre el terraplén indicado anteriormente, colocando los mismos tipos de sub-base. Estas sub-bases estaban formadas por mezclas “bien gradadas” de arena y grava, cuyas características generales eran las siguientes:

• el 100 % del material pasaba el tamiz de 1” • alrededor del 8 % el tamiz N° 200 • su CBR fue de 35 % aproximadamente

En los pavimentos flexibles, las sub-bases fueron construidas de 4, 8, 12 y 16 pulgadas de espesor y en los pavimentos rígidos de 3, 6 y 9 pulgadas. Las características del material de sub-base empleado en los diferentes tipos de pavimento, se hallan indicadas en el Cuadro IV-4.


2.6 TRANSITO Como dijimos anteriormente, el circuito 1 no fue sometido al tránsito de vehículos. Fue

utilizado este circuito para estudios especiales, como ser: efecto de las cargas estáticas, de las variaciones climáticas, etc., en el comportamiento de un pavimento. Los otros circuitos del 2 al 6, fueron sometidos ala acción del tránsito durante veinticinco (25) meses.

En la figura IV-48 y en el Cuadro IV-5 se indica la distribución y magnitud del as cargas en cada uno de los cinco circuitos 2, 3, 4, 5 y 6.

Como indicáramos anteriormente (véase Cuadro IV-5 y figura IV-48), las cargas por “eje sencillo” variaron de 910 a 13.610 Kg. (2.000 a 30.000 lb.), y las cargas por “eje tandem” de 10.890 a 21.770 Kg. (24.000 a 48.000 lb.).

La velocidad promedio de tránsito durante las pruebas fue de 56 Km. /hora (35 millas/hora). El número de “aplicaciones de carga por eje”, durante el “período de tránsito” de veinticinco (25) meses, fue de 1.114.000.


Determinar cuál es el “comportamiento” de un pavimento, o establecer cuál es su “estado” o su “capacidad” de prestar “servicio” al tránsito de vehículos, depende de la apreciación personal que tengan los usuarios de una carretera o autopista. Hasta qué grado puede clasificarse como bueno, regular o malo un pavimento, es una apreciación muy subjetiva. Habrá usuarios que consideren que un pavimento está en “mal estado” si ya presenta rajaduras, otros considerarán que un pavimento es “bueno” si aún permite el paso de vehículos, sin mayores inconvenientes, aunque presente algunas grietas. El concepto de servicio que pueda prestar un pavimento al tránsito de vehículos, si bien es subjetivo y, por lo tanto, no medible, depende de ciertas características físicas que presente un pavimento, como ser falta de uniformidad de su superficie, magnitud de las rajaduras, hundimientos, etc., existentes, que son “medibles”.

Como quiera que la “capacidad de servicio” que tiene un pavimento, la pueden evaluar mejor los usuarios de una carretera, se dispuso que fuesen éstos quienes establecieran el grado de servicio que presta un pavimento. Entre estos usuarios se seleccionó aquellos que por su trabajo e interés estaban íntimamente relacionados con la construcción y uso de las carreteras. El panel designado al efecto, por los directores de La Carretera Experimental AASHO, estuvo formado por encargados de la administración y mantenimiento de carreteras, representantes de las fábricas de cemento y asfalto, representantes de las fábricas de vehículos livianos y pesados, e ingenieros encargados del diseño e investigación, o sea un panel formado por aquellas personas, que, por su actividad o profesión, tienen interés en que una carretera preste buen servicio. A los miembros del panel se les entregó formularios especiales para que en ciertos días determinados indicaran cuál era el “estado” de servicio” que tenía el pavimento analizado para esas fechas. A este fin se estableció la siguiente escala de clasificación:

0 a 1 Para los pavimentos en condiciones pésimas 1 a 2 Para los pavimentos en condiciones malas 2 a 3 Para los pavimentos en condiciones regulares 3 a 4 Para los pavimentos en condiciones buenas 4 a 5 Para los pavimentos en condiciones muy buenas

Como las secciones de prueba de las pistas 2 a 6 de la Carretera Experimental ASHO, eran de

poca longitud 30,5 metros (100 pies), la evaluación de la “capacidad de servicio”, de acuerdo a la escala anterior, se hizo en tres diferentes Estados de la Unión considerando 138 secciones de pavimento en carreteras ya existentes, de las cuales una mitad eran de pavimentos flexibles y la otra de pavimentos rígidos. La longitud mínima de cada sección se fijó en 365 metros (1.200 pies).

Una vez evaluadas por el panel las 138 secciones anteriormente indicadas, se selecciono otros grupos de usuarios. Uno compuesto por conductores profesionales de vehículos pesados y otro formado por automovilistas no profesionales, a los que se les entregó algunas de las secciones evaluadas por el panel. Las “evaluaciones” efectuadas por estos dos nuevos grupos de usuarios, fue muy semejante a la realizada por los miembros del panel.

Índices de la capacidad de servicio

En base a las “evaluaciones” realizadas en las 138 secciones de pavimentos de las diferentes carreteras estudiadas por los miembros del panel y por los otros grupos de usuarios, se establecieron unos índices para poder determinar la “capacidad de servicio” de un pavimento. A estos índices se les designo con la letra p.


En la Carretera Experimental AASHO, los índices fueron calculados para cada sección de prueba cada dos semanas. A estos índices de “capacidad de servicio” se los correlacionó con escala de evaluación anteriormente establecida por los usuarios, e indican:

p – de 0 a 1 Una capacidad de servicio pésima p – de 1 a 2 Una capacidad de servicio mala p – de 2 a 3 Una capacidad de servicio regular p – de 3 a 4 Una capacidad de servicio buena p – de 4 a 5 Una capacidad de servicio muy buena

Haciendo un análisis de las evaluaciones realizadas por los miembros del parque se observó

que el 50% de los pavimentos “inaceptables” correspondían aproximadamente a aquellos cuyo índice de “capacidad de servicio” era inferior a 2.

Para establecer estos índices fue necesario asignar valores a aquellas características físicas de los pavimentos que tienen gran influencia en su “capacidad de servicio” como ser: mayor o menor irregularidad en los perfiles longitudinal o trasversales, hundimientos, rajaduras y remiendos. En otras palabras, se asignaron valores a las deformaciones y a los deterioros superficiales de los pavimentos estudiados.

Para medir las deformaciones longitudinales en la superficie de los pavimentos (que son las que ejercen mayor influencia), se utilizó el “perfilómetro” que se indica esquemáticamente en la figura IV - 49. Este medidor del perfil longitudinal de pavimento, se acopló a un vehículo debidamente equipado con registradoras automáticas y computadoras. Las variaciones en el perfil longitudinal eran dadas por el ángulo A, indicado en la figura IV-49. Este ángulo A, raras veces pasó de los 3°. Por lo tanto, su tangente era prácticamente igual a su valor en radianes. De ahí que se haya considerado este ángulo A como la “pendiente” del pavimento. Las variaciones de estas “pendientes” fueron calculadas por medio de la siguiente ecuación:

1

1

1 1

22

−

−=∑ ∑

= =

n

xn

xSV

n

i

n

iii

donde: SV: variación de la pendiente Xi: pendiente medida en la i vez N: numero de mediciones

Estas “pendientes” u ondulaciones de la

superficie del pavimento, se registran gráficamente cada 30 cm. (1 pie), en la forma que se indica en la figura IV -50 y calculaban para cada sección, directamente de los registros, por medio de computadoras.

Además de la “variación de pendiente SV”, para el calculo del índice p de capacidad de servicio, se consideraron también los desplazamientos verticales mismos RD observados en el pavimento, tomándose el desplazamiento vertical promedio, medido longitudinalmente a lo largo de las secciones de prueba. Asimismo consideraron las grietas C y los parches P existentes en la superficie del pavimento analizado.


Para determinar los “índices de capacidad de servicio” en función de estas variables, se estudiaron una serie de ecuaciones, habiéndose llegado a la siguiente relación matemática para los pavimentos “flexibles”:

( ) PCRDSVP +−−+−= 01,038,11log9,103,5 2

Si analizamos esta ecuación veremos que el término Log (1 + SV) es el que tiene más importancia. Por lo tanto, un pavimento cuya superficie sea irregular, tendrá un índice de capacidad de servicio más bajo que otro menos ondulado.

En las Especificaciones Generales para la Construcción de Caminos y Puentes en los Proyectos Federales del Bureau of Public Roads, se establece: ….” La superficie del pavimento será verificada mediante una plantilla de coronamiento que tenga la forma del perfil tipo de obra, y mediante una regla de 10 pies de longitud, aplicada en ángulo recto a la plantilla y paralela al eje de la calzada….“.

La variación de la superficie entre dos contactos de la plantilla o de la regla, no deberá exceder de 1/4 de pulgada para bases y de 1/8 de pulgada para pavimentos.

Comportamiento de un pavimento

El índice “óptimo” de capacidad de servicio co, que correspondería a un pavimento sin deterioro alguno, se estableció, en base a los ensayos efectuados, igual a 4.2 para los pavimentos flexibles y a 4.5 para los pavimentos rígidos.

El índice “actual” de capacidad de servicio p, de un pavimento, se calcula según las formulas anteriormente indicadas.

El índice de “deterioro” de capacidad de servicio c1 que correspondería a un pavimento en mal estado, se estableció, tanto para los pavimentos flexibles como para pavimentos rígidos, en c1: 1,5. En el diseño de pavimentos, el índice de capacidad de servicio se considera como p = 2.5 para autopistas y carreteras de primer orden y como p = 2.0 para carreteras secundarias.

El “comportamiento” (performance) de un pavimento, se determinó en base a la curva que relaciona las variaciones de los índices de “capacidad de servicio” con el aumento de aplicaciones de las cargas por eje de vehículos. Estas determinaciones de los índices de capacidad de servicio, versus el número de aplicaciones de cargas se hacían bisemanalmente hasta alcanzar el índice de capacidad de servicio de c1 = 1,5 que correspondía a una sección de prueba inapropiada para continuar las investigaciones y cuyo pavimento, en mal estado, requiere “reforzarse” o remplazarse.

En la figura IV - 51, se representan las “curvas de comportamiento” de pavimentos flexibles y rígidos, respectivamente (véase, además, Cuadro IV-6). Estas curvas relacionan las variaciones de la “capacidad de servicio” de los pavimentos con número de aplicaciones de cargas W observadas.

Si analizamos las secciones 579 y 581, veremos que ambas fueron sometidas al mismo tipo de carga de 18 kips* por eje sencillo (véase Cuadro IV-6). Sin embargo, la sección 579, que tiene un espesor menor (5” de capa de rodamiento + 3” de Base + 4” de Sub-base) perdió su capacidad de servicio a las 200.000 aplicaciones de carga. En cambio la sección 306, construida con espesores mayores (5” de capa de rodamiento + 6” de Base + 12” de Sub-base) soportó más de 600.000 aplicaciones de carga. Asimismo, puede verse que la sección 581, construida con el mismo espesor de 5” de capa de rodamiento + 6” de Base + 12” de Sub-base, soportó más de 1.200.000 aplicaciones de carga, manteniendo una capacidad de servicio por encima de 3,0. En la figura IV- 51 se puede observar, además, cómo va disminuyendo la capacidad de servicio del pavimento a medida que van aumentando las aplicaciones de carga y el número de “días índice durante los cuales fue posible observar el comportamiento de las diferentes secciones de prueba...

Si cada una de las “curvas de comportamiento” de la figura IV - 5l, se representa separadamente y se traza una curva promedio, se obtendrán curvas semejantes a la indicada en la figura IV-52. Estas curvas obedecen a la ecuación general de:


( )β

ρ

−= Wcccp oo 1 ó para pavimentos flexibles

β

ρ

−= Wp 7,22,4

En estas curvas observamos que p corresponde al número “estimado” de aplicaciones de carga

para que la capacidad de servicio disminuya a 1,5. Así, comparando las curvas de las figuras IV-51 y IV-52, correspondientes a la sección 306,

tendremos: para p = 1.5 el número de aplicaciones de cargas observadas W (figura IV-5l) en las secciones de pruebas, es de 700.000; en cambio el número de aplicaciones de cargas estimadas p es de 832.000 (figura IV-52). Lo mismo notamos al comparar las curvas 20 y 21 correspondientes a la sección 341, el número de aplicaciones de cargas observadas W correspondiente a p = 1.5 es de 800.000; en cambio el número de aplicaciones de cargas estimadas p es de 942.000.

Si la aplicación de las cargas W fuera cero, la capacidad de servicio p, sería igual a 4.2, para los pavimentos flexibles y de 4.5, para los rígidos, que es precisamente la capacidad de servicio inicial “óptima” correspondiente a un pavimento sin deterioro alguno, y si W = ρ, p sería igual a 1,5, que es la capacidad de servicio que presenta un pavimento en mal estado. Observamos, además, que β, es la pendiente de la curva.

Si la ecuación general ( )β

ρ

−= Wcccp oo 1 la representarnos:

( ) ( )β

ρ

−=− Wccpc oo 1

y la indicamos en forma logarítmica, tendremos:

( ) ( ) ( )ρβ loglogloglog 1 −+−=− Wccpc oo o sea ( ) GWcc

pc

o

o =−=

−− ρβ logloglog

1

Esta ecuación, derivada de los ensayos de la Carretera Experimental AASHO, se conoce como “ecuación general de comportamiento”. A esta expresión G, la definieron como la función representativa de la “pérdida de capacidad de servicio”. Como vemos, G es la función logarítmica que relaciona la pérdida de capacidad de servicio de un pavimento, en un determinado momento, con la pérdida total potencial, hasta un punto en el cual se llega a un índice de capacidad de servicio de 1,5.


Remplazando valores, tendremos, para los pavimentos flexibles:

−=

−−=

7,2

2,4log

5,12,4

2,4log

ppG

Los valores de β y ρ, fueron determinados analizando las “curvas de comportamiento”, como la indicada en la figura IV-52.

Si representamos dichas curvas en sistemas de coordenadas, cuyos ejes de ordenadas sean G, o el Log de (4.2 — p) (para mayor ilustración, podemos colocar a un lado la escala de valores de los índices p de capacidad de servicio) y cuyos ejes de abscisas sean Log W, obtendremos una relación lineal semejante a la de la figura IV-53.

Como podemos ver en la figura IV-53, el Log p representa el logaritmo del número de aplicaciones de cargas, estimadas o calculadas, correspondientes a un índice de capacidad de servicio de p = 1,5. La pendiente de las rectas es β.

β y ρ fueron calculados y se determinó los siguientes valores para pavimentos flexibles:

( )( ) 33,4

219,5

23,321

1

81,040,0

LD

LL

++

+=β ( )

( ) 79,421

33,42

36,993,5 110

LL

LD

++

=ρ

En la fórmula anterior: L1 = La carga por eje, ya sea “eje sencillo” o “eje tandem” indicada en Kips (1 Kip 1.000

libras = 460 Kg.) L2 = se consideró así: L2 = 1 para ejes simples y L2 = 2 para eje tandem. D = a1 D1 + a2 D2 + a3 D3 = Espesor Índice. En los pavimentos flexibles, este Espesor Índice relaciona linealmente los espesores de la Capa

de Rodamiento D1, de la Base D2 y de la Sub-base D3. Los coeficientes a1, a2 y a3

indican la resistencia relativa de los materiales y han sido determinados en las pruebas de la Carretera Experimental AASHO, habiéndose obtenido los valores indicados en el cuadro IV-7.

Como resultado de los ensayos efectuados en la Carretera Experimental AASHO, se establecieron los siguientes valores para dichos coeficientes en los pavimentos flexibles: a1 = 0,44, a2 = 0,14 y a3 = 0,11.

O sea, en otros términos, se consideró que el factor de resistencia a1 correspondiente a una mezcla asfáltica de estabilidad apreciable, como por ejemplo un concreto asfáltico (a1 = 0,44), es prácticamente tres veces superior al de una base granular (a2 = 0,14) de piedra picada y cuatro veces superior al de una sub-base (a3 = 0,11) de grava arenosa.


Otros autores consideran que los valores de los coeficientes a1, a2 y a3 deben establecerse en función de su resistencia relativa determinada por medio de ensayos conocidos como la prueba Marshall, CBR, etc. En la figura IV-54 se establecen valores para el coeficiente a para una capa de rodamiento formada por una mezcla asfáltica, considerando la estabilidad Marshall de la mezcla. La curva de la figura IV-55, indica valores de a2 para diferentes CBR, de una Base granular sin tratamiento alguno. La curva de la figura IV-55, relaciona el coeficiente a2 con valores de estabilidad Marshall, para Bases tratadas con material bituminoso; la figura IV-56, da a2 conocer los coeficientes a para diferentes valores de la resistencia a la compresión simple para Bases granulares tratadas con cemento Pórtland, y la curva de la figura IV-57, establece una relación entre el coeficiente a3 y los CBR, para una sub-base granular.

2.7 PAVIMENTOS FLEXIBLES Como puede verse en la figura IV-40 los pavimentos flexibles a ensayarse fueron construidos

en las pistas situadas al norte de los circuitos. En total se ensayaron 468 secciones, de las cuales 404 fueron sometidas al tránsito de vehículos y 64 se destinaron a estudios especiales en el circuito 1. En el Cuadro IV-8, se hallan indicadas las diferentes secciones para cada circuito, con sus respectivas pistas. Se dan a conocer, además, los espesores de las capas de rodamiento, bases y sub-bases construidas para las respectivas pruebas. Se indican, asimismo, las secciones donde se ensayaron los diferentes tipos de bases: con piedra picada, grava, tratamiento bituminoso, cemento Pórtland, etc. Los espesores para la capa ligante y la capa superficial, componentes de la capa de rodamiento, se hallan indicados en el Cuadro IV-9.


En el Cuadro IV-3, se indican las características de las mezclas que se utilizaron en las capas de sub-bases, bases de piedra picada y de grava, bases tratadas con cemento y material bituminoso, capa ligante y capa superficial.

En la figura IV-59 se ilustra la sección típica de uno de los pavimentos flexibles sometidos a prueba en la Carretera Experimental AASHO.

2.8 DISEÑO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE Como hemos visto en capítulos anteriores, de Las numerosas pruebas efectuadas en la

Carretera Experimental AASHO se estableció que la estabilidad y el comportamiento de un pavimento flexible dependen de las siguientes variables:

1. De la resistencia de la sub-rasante (terreno de fundación). 2. De la resistencia de cada una de las capas del pavimento: Sub-base, Base y Capa de

rodamiento. 3. De la carga aplicada, ya sea ésta considerada como “carga por rueda” o “carga por

eje”. 4. Del número de aplicaciones carga (volumen del tráfico). 5. De las condiciones climáticas de la región (factor regional).

En base a estas consideraciones y tomando en cuenta las cargas actuantes, el número de aplicaciones de las mismas y las condiciones climáticas, se representó la estructura de un pavimento flexible por un “Espesor Índice” D. Como ya dijimos anteriormente, este “Espesor Índice” después de una serie de análisis comparativos y en base a los ensayos realizados, se estableció como la relación lineal D = a1 D1 + a2 D2 + a3 D3 entre los espesores parciales D1 de la capa de rodamiento, D2 de la base, D3 de la sub-base y sus correspondientes coeficientes de resistencia relativa a1, a2 y a3 a los cuales se les asignó los valores de 0,44, 0,14 y 0,11, respectivamente.

Las cargas W que se consideraron son “cargas compensadas”, es decir tomando en cuenta la influencia que el clima ejerce sobre la capacidad portante de la sub-rasante. Las funciones regionales climáticas (�), multiplicadas por los números de aplicaciones de carga (�), representaran las “cargas compensadas” W, o sea que:

ttW ηνηνην +++= .......2211

Si consideramos valores promedios y hacemos ∑= νR y ∑= η N

tendremos W: NR. En base a las observaciones realizadas, se elaboraron factores climáticos.

Estos valores climáticos regionales, basados en las experiencias de la Carretera Experimental AASHO, fueron establecidos así:

a) Para las sub-rasantes donde las heladas alcanzan o pasan una profundidad 5” (12,5 cm.) (invierno): R varía de 0,2 a 1,0.


b) Para sub-rasantes secas (verano y otoño): R — de 0,3 a 1,5. c) Para sub-rasantes saturadas de agua (lo que sucede al comienzo de la primavera): R —

de 4,0 a 5,0. Uno de los primeros diagramas elaborados por los ingenieros de la Carretera Experimental

AASHO, es el que presentamos en la figura IV-60. En las curvas de esta figura, se relacionan las cargas “compensadas”, o sea tomando en cuenta el factor regional R, el número de aplicaciones de cargas y el tipo de carga ya sea este por “eje sencillo” o por “eje tandem”. Estas curvas se prepararon para diferentes índices de capacidad de servicio. Las que indicamos en la figura IV-60, corresponden a un índice p de 2,5. En la figura IV-60, los datos han sido extrapolados, a partir de un millón de aplicaciones de carga.

Para el cálculo de pavimentos flexibles, se recomienda que el espesor de la capa de rodamiento sea de 2” (5,0 cm.) como mínimo, y que el espesor de la base granular tenga no menos de 3” (7.5 cm.) de espesor.

Tránsito mixto

Las curvas de diseño, derivadas de los ensayos realizados en la Carretera Experimental AASHO, que indicamos anteriormente en la figura IV-60, consideran un tipo determinado de carga por eje. Sin embargo, en una carretera o autopista debe tomarse en cuenta no solo un tipo sino toda clase de cargas por eje. Por lo tanto, se hizo necesario considerar esta multiplicidad di cargas.

Varios autores, han propuesto ciertos factores de “equivalencia de cargas” a fin de relacionar los diferentes tipos de cargas por “eje sencillo” o por “eje tandem”, es decir relacionar las “cargas mixtas” a un solo tipo de carga tomado como “común denominador”. Esta “carga tipo”, fue seleccionada como la correspondiente a una carga por “eje sencillo” de 18.000 lb. Así, el producto de estos factores de “equivalencia de carga” por el número de aplicaciones de las diferentes “carga por eje”, será igual al número de aplicaciones de la carga “tipo” de 18.000 lb. por eje sencillo.

La relación W18/Wx entre la carga de 18.000 lb. por eje sencillo y una carga x cualquiera, se denomina “factor de equivalencia de carga”, o simplemente “factor de equivalencia” En los Cuadros IV-l0 y IV-11, se indican “factores de equivalencia” para diferentes cargas por eje sencillo y por eje tandem. En la figura IV-61, se relaciona las cargas por eje sencillo con las cargas por eje tandem. En la figura IV-62, la curva permite determinar factores de equivalencia para diferentes cargas por eje y en la figura IV-63, se relaciona el número de cargas por eje sencillo de 18.000 libras, con el tránsito diario promedio tomando en cuenta el porcentaje de tránsito comercial.

Considerando la carga “tipo” de 18.000 lb. por “eje sencillo”, como un común denominador de las diversas variedades de cargas y ejes, las fórmulas para � y �, dadas a conocer anteriormente se simplifican y así tendremos que:


( )( ) ( ) 19,519,5

23,3

1

109440,0

1

118081,040,0

++=

+++=

DDβ

( )( ) 79,4

36,993,5

118

110

++= Dρ

o ( ) 20,01log36,9log −+= D

Por lo tanto, la ecuación básica:

( )

−−

=−=1

logloglogcc

pcWG

o

oρβ , podemos expresarla: WG

loglog =+ ρβ

, quedaría: ( )βG

DW +−+= 20,01log36,9log

pero como

−−

=1

logcc

pcG

o

o ( y conocemos los valores de c0 y c1 de 4.2 y respectivamente,

para los pavimentos flexibles, se pueden calcular una serie de curvas para un determinado Índice de Capacidad de Servicio, que relacionan Espesores Índices y las cargas aplicadas, referidas a


18.000 lb. por eje seria considerando un cierto valor soporte para la sub-rasante y el factor regional clásico.

En los gráficos de la figura IV-64, las curvas de diseño, han sido calculada con un Índice p de capacidad de servicio equivalente a 2,5.

Asimismo, el tránsito ha sido estimado en 20 años y calculado por día o sea el tránsito estimado de 20 años se ha dividido por 7.300 (20 x 365 días) figura IV-64, el tránsito que se considera es el tránsito diario referido a uno por eje sencillo de 18.000 lb.

En las curvas de la figura IV-64, el valor soporte “S” de la sub-rasante, resultado de ensayo alguno. Sin embargo, se consideró el valor soporte sub-rasante existente en la Carretera Experimental AASHO corno 3 y el de piedra picada como 10,0. Se estableció una escala entre estos dos valores límites y se comparó esta escala con valores conocidos como CBR., etc. En la figura IV-65 se da a conocer la correlación del valor soporte S con el índice de grupo CBR, etc. Existen otras curvas de diseño para diferentes aplicaciones de carga referidas a 18.000 lb. por eje sencillo. Una de ellas se indica en la figura IV-66, y es la propuesta por Shook y Finn para diferentes resistencias en la sub-rasante, expresadas por su CBR.

El factor de Diseño que se considera en las curvas de la figura IV-66, al igual que el “Espesor Índice” D y el Número Estructural SN, establece también una relación lineal: T = a1 D1 + a2 D2 + a3 D3. En esta relación, a2 se toma como unidad, a1 es igual a 2,0 y a3 igual a 0,75.

Por lo tanto, el factor de diseño, se expresa así: T = 2,0 D1 +0,75 D3

Los factores de equivalencia de carga que se recomienda adoptar para el uso de estas curvas de

diseño son los indicados en el Cuadro IV-11.



Relación entre las diferentes capas de un pavimento flexible

Los estudios efectuados en la Carretera Experimental AASHO establecieron que las fallas de un pavimento flexible (formación de baches, surcos, etc.) se deben, aproximadamente en un 32% a la falta de espesor adecuado de la capa de rodamiento, en un 14% al poco espesor de la Base, en un 45% al espesor deficiente de la Sub-base y solo en un 9% al terreno de fundación inadecuado.

Otra interesante conclusión de estos estudios fue la de establecer una relación entre la capacidad portante de una Capa construida con concreto asfáltico y otras formadas por piedra triturada y suelo granular. Así se determinó que: 1” (2.5 cm.) de una capa de rodamiento de concreto asfáltico equivale, aproximadamente, a 3” (7,5 cm.) de Base formada por piedra caliza triturada y a 4” (10cm) de Sub-base formada por una mezcla de arena y grava (granzón).

Además, se comprobó que aquellas Bases “tratadas” con material bituminoso o cemento, se comportan mucho mejor que aquellas Bases de piedra picada o grava sin tratamiento alguno (véase cuadro IV-12).

De las investigaciones realizadas en la Carretera Experimental AASHO se derivan las siguientes conclusiones:

a) El terreno de fundación, así como los tipos y espesores de las diferentes capas de un pavimento, constituyen factores importantísimos en el “comportamiento” de un pavimento.

b) El factor climático regional, desempeña un papel de gran importancia en el “comportamiento” de un pavimento flexible.

c) La magnitud de las cargas y la repetición de las mismas, o sea el número de aplicaciones de las cargas trasmitidas por los vehículos, es un factor determinante en el “comportamiento” de un pavimento.

d) En el diseño de un pavimento, es conveniente referir las cargas “mixtas” a un solo tipo de carga (v.gr. 18.000 lb. por eje sencillo).

2.9 DETODO DE DISEÑO AASHO MODIFICADO EN 1986 Generalidades

La aparición de este moderno método requiere el análisis de los cambios principales que se introducen respecto de la versión 1972. Ellos son los siguientes:

1. El valor soporte de la sub-rasante S se reemplaza por su módulo resistente M, - 2. Se introduce un coeficiente de drenaje en el cálculo del número estructural SN. 3. Se deja sin efecto el factor regional R 4. Se utiliza el concepto de perdida de servicio tanto por efecto del transito como por

efectos ambientales. 5. Se introducen consideraciones estadísticas respecto de los ensayos de calidad y de la

incertidumbre en la estimación del tránsito y en el comportamiento real del pavimento tanto bajo cargas como por acción del ambiente.


Los nuevos coeficientes para el cálculo de los ejes equivalentes se presentan para tres Configuraciones (ejes simples, tandem y triples) y tres niveles de servicio terminales (2, 2.5 y 3).

Los aspectos relativos a la confiabilidad se reflejan en los valores adjudicados al parámetro So conjuntamente con los riesgos de falla (Z) que se incluyen en el proceso de diseño; los costos del pavimento están íntimamente asociados al tipo de cobertura estadística seleccionada por el proyectista.

La acción de los suelos expansivos y los sensibles al helamiento se contemplan en la nueva versión del método, así como una mejor valoración de los coeficientes estructurales (a,) en base a sus cualidades mecánicas y al estado de tensiones a que estarán sometidos en servicio.

Determinados los valores mencionados, el diseño se convierte en un procedimiento iterativo, a través de varios ciclos de ajuste, entre la estructura concebida y la vida de diseño deseable.

Se presentan en este trabajo comparaciones entre diseños sobre distintos tipos de sub-rasantes y para diferentes niveles de transito, remarcándose que la nueva Guía permite al proyectista una mayor posibilidad de opción, un mayor juicio de valor y una mejor interacción que la anterior en las distintas etapas del procedimiento de diseño.

Uno de los objetivos principales del Camino Experimental del AASHO, realizado en Illinois durante los años 1958 y 1959, fue el de desarrollar un método de diseño de pavimentos para ser utilizado en forma general por los diferentes estados norteamericanos.

La experiencia fue planteada con análisis estadísticos de las variables y el modelo matemático resultante respondió básicamente a este criterio.

Los suelos de la sub-rasante corresponden a los existentes en una amplia zona de EE.UU. y los materiales utilizados en la estructura son los normales en las construcciones viales en ese país, pero sin duda no cubren todo el ámbito, de suelos y materiales disponibles para este tipo de construcción.

El tránsito acelerado y uniforme, perfectamente controlado para simplificar el análisis de los resultados, no ha reflejado su composición mixta, pero ha permitido obtener la equivalencia destructiva de las distintas cargas entre si.

Como consecuencia general del ensayo experimental se desarrolló una solución algorítmica que sirvió de base a un criterio de diseño de amplia utilización posterior y que fue publicada en la “Interin Guide 1972”; esta guía y los ábacos correspondientes se conocen, normalmente como “Método AASHO”

La fórmula resultante vincula por medio de correlación estadística la evolución del Índice de Servicio, es decir el comportamiento de un diseño con el tránsito que ha soportado. La ecuación representa el mejor ajuste a las condiciones medias del camino experimental, tanto en lo que se refiere a suelos, características de los materiales, procesos constructivos y tránsito. En consecuencia existe un 50% de probabilidad que los resultados sean iguales o superiores a las previsiones y un 50% que sean inferiores.

Dado que la experiencia se realizó para un tipo de materiales y bajo tránsito controlado se realizaron posteriormente experiencias satélites para extender su aplicación a distintos tipos de suelos y materiales y para diferentes condiciones climáticas, con lo que el procedimiento de diseño se ex tendió internacionalmente.

Guía AASHTO 1986 para diseño de estructuras de pavi mentos

En base a la experiencia acumulada con el uso de este método de diseño de pavimentos, durante más de 25 años, la mayor y mejor información disponible para caracterizar distintos materiales, los estudios realizados sobre la influencia destructiva del tránsito, las condiciones climáticas y demás factores que influyen en el diseño, se ha realizado recientemente una revisión general, que ha dado origen a la “Guía de Diseño de Estructuras de Pavimentos AASHTO, 1986”.

La nueva guía respeta básicamente el algoritmo original, introduciendo nuevos conceptos que dan mayor seguridad y confiabilidad al método y que se analizan a continuación.

Ecuación de diseño

La ecuación básica de diseño para estructuras de pavimentos flexibles es la siguiente:

( ) ( ) ( )

( )

( ) 07,8log32,2

1

109440,0

5,12,4log

20,01log36,9log

19,5

18 −+

++

−∆

+−++×= MR

SN

PSI

SNSZRW o

donde: W18: numero de aplicaciones de ejes equivalentes de 18.000 lb. ZR: desviación normal standard So: error standard combinado de las predicciones de transito de comportamiento ∆PSI: diferencia entre el índice de servicio inicial Po y el índice de servicio final Pt MR: modulo resilente de la sub-rasante.


SN: numero estructural total del pavimento ai: coeficiente de la capa i di: espesor de la capa i mi: coeficiente que refleja el drenaje de la capa i. El número estructural tiene el mismo significado que antes y es un valor abstracto que

representa la resistencia total de un pavimento para una determinada condición de sub-rasante expresada por su Mr, para condiciones particulares de tránsito e índice de servicio al final de la vida útil. El SN debe ser convertido a espesores reales por medio de coeficientes estructurales que representan los aportes resistentes de las distintas capas.

Las principales modificaciones introducidas en el nuevo método AASHTO son las siguientes:

Confiabilidad

La incertidumbre que se refleja en la predicción del tránsito y en los niveles de comportamiento se ha incorporado en el nuevo Criterio.

Tal como fuera mencionado anteriormente, la ecuación básica fue deducida para condiciones medias del camino experimental y en consecuencia existe la probabilidad de que un 50% de los valores estén sobrevaluados y también un 50% infravaluados, lo que implica que al final de la vida de diseño W18 un 50% del camino pueda estar con un Índice de Servicio inferior al previsto,

Se ha verificado que es suficientemente aproximado considerar que el comportamiento vs tránsito sigue la distribución normal de Gauss. En consecuencia pueden aplicarse conceptos estadísticos para lograr una confiabilidad determinada, por ejemplo 90% o 95%, es decir que solamente un 10% o 5% se encuentre con un índice de servicio inferior al previsto al final de la vida calculada. Hay tres variables especiales para el concepto de confiabilidad:

1. Condición del pavimento 2. Número de ejes acumulados 3. Comportamiento del pavimento

La única medida de la condición o estado del pavimento que se considera en este método es el Índice de Servicio (PSI) cuyo valor en un determinado momento depende del estado de su superficie, fallas, ahuellamiento y fisuras de la sección que se considere.

El número de ejes acumulados presentado por W18, es la sumatoria de los ejes de distinta carga aplicados multiplicados por sus respectivas valencias destructivas para llevarlos a la carga standard de 18.000 lb. / eje simple.

En cuanto al comportamiento real del pavimento, depende, de la variación de los materiales, equipos y procesos constructivos, como así también de las condiciones climáticas.

En lo que a confiabilidad se refiere el proceso de diseño implica tres pasos fundamentales: Predicción del tránsito wT para el periodo de diseño. Elección de un factor de seguridad FR> 1. Predicción de la performance Nt para Wt = wT x FR, por medio de la ecuación que expresa Wt

en función de los elementos de diseño. Estas condiciones implican que si se representa la ecuación de comportamiento con respecto al

transito quedan determinados cuatro niveles de tránsito expresados en escala logarítmica (Fig. 1). El primero, Nt, corresponde al tránsito real, que puede ser mayor o menor que el previsto; el segundo corresponde al tránsito previsto wt, el tercero y el cuarto corresponden al tránsito en función del comportamiento previsto del pavimento Wt que puede ser mayor o menor que el real.

En consecuencia los tres niveles determinados por estos puntos son los siguientes: Predicción del error en la estimación del tránsito:

( ) ( )TTTT wNNw ×±=− δloglog Factor de seguridad:

( ) gTt Fww logloglog ±=−

Predicción del error en el comportamiento del pavimento:

( ) ( )tt wNtwNt ×±=− δloglog

La desviación total es en consecuencia:

( ) δ±=− Tt NN loglog

Distribución probabilística de las desviaciones bás icas

Predecir el tránsito futuro acertadamente es extremadamente difícil. Debido a esta y otras inseguridades inherentes al diseño de un pavimento, el nuevo AASHTO provee un tratamiento estadístico de las variables principales.

Las variaciones debidas al transito y al comportamiento real se suman en un ‘error standard´ de estimación So, que se aplica directamente en el cálculo de espesores.


En efecto, en base a la información disponible se infiere que tanto el tránsito como el comportamiento siguen una ley de variación normal (Fig. 1); entonces llamado Sw al error standard del tránsito y Sw2 a su varianza, SN al error standard del comportamiento y a SN2 a su varianza y de acuerdo a las leyes de la estadística la suma de distribución normales produce una nueva distribución normal.

( ) ( )ttgtT NWFWNF ×+×= δδ log

y

2220 0 NW SSS ++=

Tratándose de una curva de distribución normal el área total que se encuentra por debajo de la

curva representa el 100% de lo resultados. Para el grado de confiabilidad que se desee la superficie de la curva con ese grado de confiabilidad puede obtenerse restando al valor medio Zr x So tal como se ve en la Fig. 2 donde Zr es el valor de la desviación standard normal para el grado de confiabilidad seleccionado. En la tabla Nº 1 figuran los valores de Zr para distintos grados de confiabilidad.

Para tener una confiabilidad determinada por ejemplo 90% o 95% en una distribución normal, solamente deben quedar 10% o 5% respectivamente de puntos por debajo en la campana de Gauss, es decir:

Log W18 – Zr x So

donde Zr es el valor de la desviación standard normal para el grado de confiabilidad que se desea.

De la experiencia disponible se ha verificado que So se encuentra entre 0,40 y 0,50; el valor menor corresponde a las condiciones del AASHO Road Test, Debe reconocerse que diseñar para una alta confiabilidad implica incrementar sensiblemente costos de construcción del pavimento.

Caracterización de los materiales

Módulo resiliente efectivo de los Suelos (Mr)


El criterio de capacidad portante de los suelos de fundación utilizado en el algoritmo original deducido en base a dos valores extremos obtenidos de las condiciones de caminos experimentales (el menor correspondiente a los suelos de sub-rasante, y el mayor al material granular utilizado en la base) ha sido reemplazado por el parámetro Mr de acuerdo al ensayo normalizado AASHTO 1274, realizado en situaciones de humedad representativas de la condiciones de servicio.

Como las condiciones de humedad pueden ser variables para las distintas estaciones, por consiguiente el Mr acompaña tal variabilidad y el efecto destructivo de las cargas va a ser diferente a través de estos ciclos, el método prevé un procedimiento de ponderación para obtener el Mr de diseño.

El efecto destructivo producto de las características variables del Mr ha sido correlacionado con un factor uf que responde a la siguiente ecuación:

ut = 1,18 x 103 x Mr-2,32

donde: Mr: Módulo resiliente de la sub-rasante en PSI. El Mr ponderado se obtiene ensayando el suelo en las condiciones de humedad que se

encuentran en los distintos periodos del año y calculando el factor uf para los distintos Mr; del valor de uf promedio se obtiene por un proceso inverso el Mr, ponderado para utilizar en el diseño.

La introducción del Mr, de la sub-rasante en la fórmula de diseño es una de las modificaciones más importantes respecto del método original, en el cual la capacidad portante fue implementada en forma grosera entre dos valores extremos correspondiente a los suelos A. existentes en el camino experimentales a los que se asignó un valor arbitrario de 3 y un valor máximo de 10 equivalente a un estabilizado granular utilizado como base.

La incorporación del MR se apoya en conceptos de resistencia de materiales perfectamente mensurables y teorías mecánicas o racionales para los espesores estructurales.

Se reconoce en la Guía de diseño que muchas organizaciones pueden no disponer del instrumental necesario para realizar el ensayo del MR , según la norma AASHTO T274, y en consecuencia es necesario relacionarlo en base a otros ensayos, por ejemplo el CBR o el valor R de California.

Según Heukelom y Klomp se puede correlacionar con el ensayo del CBR, técnica del cuerpo de ingenieros de compactación dinámicas de probetas:

MR (psi) = 1.500 CBR

Los valores así obtenidos se consideran razonables para la correlación de suelos finos y con un CBR embebido que no supere el valor de 10.

El diseño debe realizarse con valores medios de Mr, obtenidos de secciones relativamente homogéneas, ya que el criterio de confiabilidad tiene implícito las variaciones que pueden atribuirse a la variación de Mr y en consecuencia no se debe tomar el menor valor (tal como se hace actual- mente con el CBR de un tramo), por que significara agregar un coeficiente de seguridad adicional al diseño.

Evaluación de los materiales de las distintas capas

En el método AASHO original, la resistencia relativa de las distintas capas es evaluada por medio de coeficientes estructurales, basados en la correlación obtenida a partir del camino experimental y que luego fuera extendida a otros materiales y otras condiciones para poder generalizar la aplicación del método.

Si bien en el nuevo método AAS THO 1986 se ha introducido el módulo elástico de los distintos materiales para su valoración, se han correlacionado sus magnitudes con distintos ensayos y se dan equivalencias con los coeficientes estructurales ai para la integración del número estructural SN. Además se introducen coeficientes mi para bases y sub-bases que tienen en cuenta las condiciones de drenaje en que se encuentran las distintas capas.

En consecuencia el SN se expresa por la formula:

33322211 mDamDaDaSN ××+××+×=

Carpeta Asfáltica (a1)

El coeficiente estructural de la carpeta asfáltica esta dado en función del modulo elástico para una temperatura de 20° C


Bases Granulares (a2)

En la Fig. 4 se encuentran correlacionados los coeficientes de aporte estructural a2 con los correspondientes al módulo resiliente (EBS), el valor R, el Triaxial de Texas y el CBR, este ultimo según el estado de Illinois.

En la Fig. 7 se muestra la equivalencia del coeficiente a con el módulo (EBS) y la Estabilidad Marshall cuando se utiliza una base asfáltica.

En la Fig. 6 se observa la correlación del coeficiente a2 con el módulo (EBS) con la resistencia a la compresión cuando se utiliza una base tratada en cemento.

Sub-base Granular (a3)

En la Fig. 5 se correlacionan los coeficientes a3 con el modulo (EBS), con el valor R, con el Triaxial de Texas y el CBR Illinois. De la comparación de las Fig. 5 y 4 se deduce que los coeficientes de aporte resultan distintos para el caso de una sub-base respecto de la misma resistencia para una base, con lo que implícitamente el nuevo método está reconociendo el hecho que el aporte estructural de un material es función de sus propias características pero también del nivel de solicitaciones a que se ve expuesto.


Drenaje

Las condicionen de drenaje de las capas granulares es tenida en cuenta por medio de los coeficientes mi.

En base a las siguientes condiciones: Drenaje Agua eliminada en

Excelente 2 horas

Bueno 1 día

Regular 1 semana

Pobre 1 mes

Muy malo el agua no drena

y al porcentaje de tiempo en que el pavimento esta en condiciones se ha confeccionado la tabla

2 y da los valores de mi para los distintos casos.

Tabla 2

Valores de mi recomendados para corregir los coeficientes estructurales de bases y sub-bases granulares

Porcentaje del tiempo que la estructura del pavimento esta expuesta a grados de humedad próxima a la saturación

Características del drenaje Menos de 1% 1 – 5 % 5 – 25 % Mas de 25%

Excelente 1,40 – 1, 35 1,35 – 1,30 1,30 – 1,20 1,20

Bueno 1,35 – 1,25 1,25 – 1,15 1,15 – 1,00 1,00

Regular 1,25 – 1,15 1,15 – 1,05 1,00 – 0,80 0,80

Pobre 1,15 – 1,05 1,05 – 0,80 0,80 – 0,60 0,60

Muy malo 1,05 – 0,95 0,95 – 0,75 0,75 – 0,40 0,40

Factor regional

El factor regional R se introdujo en el método original en base a las variaciones de capacidad portante experimentadas por la sub-rasante y las capas granulares en las distintas épocas del año, circunstancias que en el camino experimental se debieron fundamentalmente a la acción del congela miento y al deshielo de primavera. En nuestro medio argentino este factor se fijó en base a condiciones pluviométricas sin tener en cuenta las características topográficas del drenaje propio del lugar y las intrínsecas de la estructura del pavimento. En el nuevo AASHTO 1986 el factor regional ha sido reemplazado como tal pero se lo tiene en cuenta en dos formas:

1. para la sub-rasante 2. para las capas granulares

Pérdida del Índice de Servicio ∆PSI.

En el nuevo método se ha introducido en la fórmula la perdida del servicio ∆PSI, que si bien tiene el mismo significado que en el método original (diferencia entre el Índice de Servicio en el inicio (Po) y en el final (Pt) su actual forma de expresión permite valorar la pérdida de originada en efectos ambientales por la acción del hinchamiento ya sea por suelos expansivos o por la acción del hielo, y así por medio de un procedimiento iterativo, tener en cuenta esta acción combinada con la producida por el tránsito:

∆PSI = ∆PSITR + ∆PSISW FH

donde: ∆PSI: perdida de servicio total: Po - Pt ∆PSITR: perdida de servicio debida al tránsito ∆PSISWFH: hinchamiento del suelo o ambos

Modificaciones introducidas al método original

Las principales modificaciones introducidas al método original son las siguientes


1. Introducción del concepto de confiabilidad, para asegurar estadísticamente que la mayoría de los resultados cumplan con un Índice de Servicio mayor o igual al considerado.

2. Evaluación de la sub-rasante por medio de un Mr ponderado que tenga en cuenta su variabilidad en función de su estado de humedad.

3. Evaluación de las distintas capas de la estructura por medio de sus módulos elásticos y su correspondencia con los coeficientes estructurales ai.

4. Evaluación de las condiciones drenantes y posible estado de embebimento de las distintas capas granulares por medio de los coeficientes mi.

5. Valoración de ∆PSI como pérdida de servicio total teniendo en cuenta la a pérdida de servicio debida a la acción del tránsito y la pérdida de servicio debida al hinchamiento de los suelos y a la helada en el caso de que hubiere.

6. Las tablas para calcular el número de ejes equivalentes de 18000 lb. que figuraban en el método original han sido extendidas a cargas de 50000 lb. para el eje simple y 90000 par el eje tandem.

Comparación del nuevo método AASHTO 1986 con Interi m guide 1972

Para tener una idea del grado de modificación que se ha introducido en el nuevo método se ha hecho el cálculo para tres valores del MR: 4.500. 7.500 y 15(100 psi, que según la correlación establecida por Eukelom y Klomp equivaldrían a un CBR de 3. 5 y 10% respectivamente y cuatro grados de confiabilidad 95%. 90%, 85% y 50%. Además se han calculado los resultados obtenidos con la Guía de 1972 para los tres mismos valores de CBR 3%. 5% y 10% de acuerdo a la correlación aceptada para el diseño por la DNV para tres factores regionales: R 1, 1.5 y 2 y para cuatro condiciones de tránsito W18 = l06, 2.106, 5.l06 y 107.

Cabe aclarar que para hacer estos cálculos se ha partido de la base que el MR, que según el método es un valor ponderado a través del año, se ha considerado constante, lo que implica que se trataría de una sub-rasante que tuviera ese valor ponderado o que la misma por las características de la región y condiciones climáticas no varia a través de todo el año. Por otra parte el CBR adoptado para la comparación es realizado con 4 días de embebido de acuerdo a la norma de ensayo, y que para suelos que no sean expansivos pueden resultar ligeramente críticos.

3.1 INTRODUCCIÓN La piedra revestida de asfalto fue usada en capas para base en los primeros tiempos de la

industria del asfalto. El interés renació en Europa alrededor del año 1955 y este renacimiento tuvo mayor auge por la publicación en 1957, de muy buenos resultados obtenidos por el Road Test de los Estados Unidos con capas asfálticas de mayor espesor que las comúnmente usadas hasta entonces

El desarrollo de las bases asfálticas trajo aparejado un grave problema de diseño de espesores. Los procedimientos de diseño existentes, incluyendo el método CBR eran en su mayoría empíricos y se basaban esencialmente en una larga experiencia de la vida útil de construcciones convencionales. Por lo tanto, no podían aplicarse a ‘materiales nuevo`. Solamente un sistema de diseño basado en la teoría es susceptible de ser aplicado fuera de la experiencia común, es decir, pueda predecir la vida útil, bajo la acción del tránsito, de construcciones que no han sido hechas con anterioridad.

El comienzo de tal sistema de diseño debe ser la consideración de las propiedades de la capa asfálticas para base y de la estructura del camino en forma integral bajo la carga dinámica del transito. Dado el año 1945 uno de los principales objetivos de Shel1 en la investigación del asfalto ha sido el obtener una comprensión integral de las propiedades de los asfaltos y de las mezclas asfálticas en términos ingenieriles. Esta investigación ha incluido un trabajo intenso referente a los módulos dinámicos de las mezclas y estudios de su comportamiento a la fatiga. Se ha construido una máquina vibradora para caminos que ha sido usada para ensayar estructuras viales completas en muchos países Por lo tanto, hemos estado muy bien preparados para establecer un método de diseño de espesores que es, después de todo un producto de dicha investigación. Además de usar los resultados de nuestros propios trabajos, hemos aprovechado plenamente las informaciones publicadas en la literatura especializada.

El tema es complejo en todos sus aspectos y la informaci6n referente a ciertos puntos es aún incompleta. Sin embargo, creemos que se ha alcanzado un extremo donde podemos hacer recomendaciones de diseño bastante generales para construcciones flexibles y en particular para aquellas con capas asfálticas de mucho espesor. Estas recomendaciones están abarcadas por los gráficos que forman parte de este folleto. Donde ha sido posible, se han hecho verificaciones comparándolas con la experiencia práctica, incluyendo resultados de ensayos en caminos principales y se ha hallado una correlación satisfactoria. Creemos que estos gráficos para diseño de espesores, al estar basados en la teoría ingenieril, son avanzados con respecto a otros disponibles en la actualidad; cubren un gran rango y tienen potencial para más desarrollo y refinamiento.

Se cree que las curvas de diseño aquí publicadas son algo conservadoras y se espera que, en algunos casos, llevaran a un sobredimensionamiento. A pesar de ello, al aplicar los diseños se deberá tener muy en cuenta cualquier condición local especial que se refiere a materiales o ambiente que pueda ser de importancia fundamental.

3

Método SHELL


3.2 PRINCIPIOS DE DISEÑO Se parte de la hipótesis que las

estructuras bien diseñadas se comportan elásticamente bajo las cargas dinámicas aplicadas por el transito y que se puede usar la teoría elástica para sistemas de capas y para calcular la distribución de esfuerzos y deformaciones. Aunque el camino puede ser construido en varias capas se considera que a los fines del diseño, consiste de solamente tres capas, cada una de éstas formada por un número de capas de material similar, a saber:

1. Una capa o capas ligadas con asfalto. 2. Una capa o capas granulares (no ligadas) 3. La sub-rasante

Este sistema está ilustrado en la fig.1, donde también se ven la ubicación y tipo de

deformaciones que se consideran críticos. La falla eventual del camino bajo la acción del transito ocurre cuando hay:

Deformación excesiva de la superficie: Esto ocurre como resultado de la acumulación de pequeñas deformaciones permanentes en la estructura. En estructuras bien diseñadas éstas dependen principalmente de la de formación vertical debida a la compresión en la superficie de la sub-rasante (fig.1). Cuando la deformación es grande puede también llevar al fisuramiento de la capa superficial.

Fisuramiento de la capa asfáltica: Este puede ocurrir como resultado de una flexión repetida de la capa asfáltica bajo las cargas repetidas del transito (fatiga). El comienzo de tales fisuras está regido por los alargamientos en la parte inferior de la capa asfáltica.

El procedimiento de diseño consiste en seleccionar el espesor de cada una de las capas de manera tal que las deformaciones desarrolladas en los puntos críticos (fig. l) bajo la acción del transito sean aceptables.

Los gráficos de diseño han sido hechos sobre esta base cubren un vasto rango de condiciones de sub-rasante y transito. El ingeniero solamente debe suministrar la información referente a la sub-rasante y al tránsito estimado para poder seleccionar el grafico de diseño adecuado.

La curva de diseño da un rango de construcciones alternativas, cada una de las cuales asegura que no se exceden la deformaciones admisibles los puntos críticos, es decir, las construcciones son comparables sí por su propiedad de reducir las deformaciones permanentes y deflexiones elásticas a un nivel tal que el camino se comporte satisfactoriamente durante su vida útil. Entre diversas construcciones alternativas se puede elegir la combinación más económica y conveniente de capas asfálticas y granulares.

3.3 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Hay cuatro pasos en el procedimiento de diseño:

• 1° Paso “Las propiedades del suelo de la sub-rasante” Los cálculos de diseño están basados en el módulo de elasticidad dinámico del suelo. Este es

muy difícil de ser medido directamente, pero se puede obtener una guía aproximada de los resultados de ensayos convencionales tales como el CBR o el del plato de carga. El gráfico 1 da los factores de conversión para poder deducir el módulo de elasticidad dinámico del suelo (E). A los fines prácticos se puede tornar a E como 100 CBR (en Kg/cm2) o 1.500 CBR (en psi). Este ensayo deberá hacerse preferentemente con el contenido de humedad que el suelo probablemente va a tener en servicio con una superficie impermeable. Este “contenido de humedad de equilibrio” es generalmente igual a la encontrada a una profundidad de unos 3 pies (1 metro) en el suelo natural. Si el suelo es propenso a la penetración de la helada, entonces debe ser ensayado saturado. Se debe tener mucho cuidado con suelos arcillosos, ya que estos pueden dar origen a deflexiones elásticas mayores que las que indicaría la conversión aproximada del CBR. En estos casos es deseable usar construcciones con capas asfálticas de mayor espesor que el mínimo dado por los gráficos.

Método SHELL 37

• 2° paso “Necesidades del transito” Se debe hacer una estimación del número total de cargas por eje y por trocha durante la vida

útil del camino y de la frecuencia de distribución de los distintos grupos de carga por eje. Para caminos de varias trochas, solamente se tiene en cuenta la trocha que soporta el mayor número de cargas pesadas por eje.

La contribución a las fallas hechas por vehículos livianos tales como autos y camionetas puede ser virtualmente ignorada mientras que una cantidad relativamente pequeña de cargas pesadas puede ser muy importante.

Para el diseño, el tránsito mixto real es expresado como un numero equivalente (N) de cargas de 10 toneladas por eje. Esta es una base conveniente porque es el límite legal máximo en muchos países. Sin embargo la elección es bastante arbitraria y de cualquier manera no afecta el uso de los gráficos o los resultados obtenidos.

El número equivalente de cargas de 10 toneladas por eje es calculado en forma conjunta en los gráficos 2 y 3. El gráfico 2 es usado para calcular el número equivalente de ejes de 10 toneladas por cada 100 ejes llamado el “Factor de Distribución de Carga” (LDF) a partir de estimaciones de la distribución de frecuencia de las cargas por eje. Esta figura es entonces usada, conjuntamente con el número estimado de cargas por eje, por trocha y por día y con la vida útil, para calcular el Número de Diseño (N) a partir del gráfico 3. Se ilustra detalladamente en el Ej. 1 el uso de estos gráficos. Si al recabar necesidades del tránsito no se dispone de información respecto a la probable distribución de cargas por eje, la guía dada en “Aspectos Constructivos” puede ser útil.

NOTA: Los grupos de carga por eje, incluidos en el gráfico 2 han sido seleccionados como

convenientes. Si se necesitaran, se puede agregar líneas para cargas por eje es o que representen a otros grupos de carga por eje, usando la figura 2. La contribución al LDF es graficado y se dibuja la línea de carga a 45° con respecto a los ejes. Alternativamente se puede obtener la contribución al LDF directamente de la figura 2 como porcentaje del total de cargas por eje multiplicado por la contribución al LDF para 1% del total de carga por eje.

Axle Load in lb.

Axle Load in kg.

Contribution to LDF for 1% of Total Axle Loads0.001 0.01 0.1 1 10

1000

10.000

100.000

Axl

e Lo

ad

• 3° paso “Espesor de la construcción” Cuando se han establecido el módulo E del suelo y la necesidad del tránsito N se puede elegir

el gráfico y curva de diseño apropiado. Se han confeccionado series alternativas de gráficos. SERIE I: cada gráfico es para un valor particular de E y cada curva de diseño de un gráfico es

para un valor particular de N (gráficos 4 - 8) SERIE II: cada gráfico es para un valor particular de N y cada curva de diseño de un gráfico es

para un valor particular de E (gráficos 9 - 12). Se puede usar cualquiera de las series, según convenga. Por ejemplo, sería preferible la Serie II

cuando se encuentre una considerable variación en las propiedades del suelo (E) a lo largo del camino propuesto o cuando se requieren diseños sobre suelos con propiedades distintas a aquellas dadas.

Para cualquier curva de diseño una construcción adecuada está indicada mediante las coordenadas de cualquier punto de la misma. La ordenada indica el espesor total de las capas asfálticas densas para la carpeta y la base, mientras que la abscisa indica el espesor total de las capas granulares para base y sub-base.


• 4° paso”Requisitos de calidad para materiales granulares” Aunque la deformación de un pavimento depende en gran parte de las propiedades de la sub-

rasante, se debo tener cuidado de que cualquier material granular no ligado, usado para la base, sea capaz de desarrollar un modulo y resistencia al corte adecuados. Para facilitar el trabajo de diseño se han incluido en los gráficos líneas punteadas que indican el CBR mínimo requerido para el material en cualquier capa granular de la estructura. Se ilustra el uso de esta línea en la figura 1.

Resumiendo hay cuatro pasos en el procedimiento de diseño: PASO 1: __________ establecer las propiedades de la sub-rasante (Gráfico 1) PASO 2: __________ establecer LDF (Gráfico 2); establecer N (Gráfico 3) PASO 3: __________ elección de construcciones alternativas (Gráficos de diseño) PASO 4: __________ determinar los requerimientos de calidad de los materiales

granulares (Gráficos de diseño) Al usar los gráficos de diseño se debe prestar atención a las notas que siguientes en la sección

“Aspectos Constructivos”

3.4 ASPECTOS CONSTRUCTIVOS Ejecución: las curvas de diseño de este folleto requieren que la mano de obra, materiales y

controles del proceso constructivo cumplan con las especificaciones usuales, especialmente en lo que se refiere a compactación

Factor de distribución de carga (LDF): cuando no se dispone de los detalles de la distribución de las cargas por eje prevista, las cifras siguientes pueden servir de guía:

Tipo de Camino LDF

Autopista y otros caminos con “trocha lenta” 5

Caminos principales con dos o tres trochas 2-3

Caminos locales/residenciales Menor de 3

Condiciones Climáticas: los cálculos de diseño están basados en condiciones severas y es muy

probable que las construcciones tiendan a estar sobredimensionadas en zonas templadas, particularmente en lo que se refiere a capas mas espesas ligadas con asfalto. Sin embargo no se cree práctico aplicar una corrección técnica para dichas condiciones hasta que no haya más confirmación en base a la experiencia.

Espesor de las capas granulares: si se usa una sub-base granular debajo de base asfáltica, esta deberá tener un espesor mínimo de 10 cm. ya que capas de menor espesor no son prácticas.

Capas asfálticas de rodamiento: una capa (o capas) superficial de concreto asfáltico de buena calidad deberá ser usada y debe tener un espesor mínimo de 5 cm. o de 10 cm., en aquellos caminos que llevan cargas pesadas por rueda (por ejemplo N = 106 o mayor). Esta capa formara parte del espesor total de la capa ligada con asfalto dada en los gráficos.

Capa asfálticas para base: las capas asfálticas densas para base deberán consistir de mezclas bien compactadas con alto contenido de piedra (40% o mas de 3mm) teniendo un porcentaje de vacíos inferior al 10 % y un contenido de asfalto (penetración 40 — 100 a 25°C) de no menos de 3½ % en peso.

Mezclas abiertas: los gráficos de este folleto se aplican a construcciones con mezclas densas de buena calidad ligadas con asfaltos. Las mezclas más abiertas pueden ser adecuadas pero todavía no hay suficiente experiencia con ellas como para hacer especificaciones de mezcla o gráficos de diseño. Sin embargo son menos efectivas que las mezclas densas y es dudoso de que en la práctica ofrezcan una ventaja económica.

Construcción en etapas: estos gráficos de diseño hacen posible planificar una “construcción en etapas”, es decir, ir construyendo durante un período de años, de acuerdo con el aumento operado en la intensidad del tránsito hasta llegar al espesor total de diseño con sucesivas capas de mezcla asfáltica. Esta es una importante ventaja de la construcción asfáltica, pero el procedimiento debe ser usado en forma conservadora. Se debe construir cada etapa antes de llegar a la de vida de la etapa anterior, de manera tal que no haya ocurrido un deterioro estructural. Un procedimiento similar lo constituye la práctica de postergar la colocación de la capa final de rodamiento por algunos meses. Esto permite que el tránsito compacte las zonas locales débiles y que tengan mayor vigencia las buenas propiedades de transitabilidad que son conferidas por la capa de

Método SHELL 39

rodamiento. Siempre que una mezcla para base esta expuesta al tránsito, debe ser densa y de alta estabilidad.

El diseño de recubrimientos para caminos viejos debe estar basado en un sistema seguro para medir la resistencia estructural existente, pero no se trata este tema en el folleto.

Sin embargo, los gráficos de diseño demuestran que unos 7 u 8 cm. adicionales de concreto asfáltico corresponderían generalmente con un aumento de 10 o más veces del número de diseño (N). El mínimo espesor práctico de recubrimiento sobre una superficie vieja irregular es probablemente 5 cm. y este debería ser adecuado a menos que el camino esté muy figurado.

Bases ligadas con cemento: la falla de construcciones relativamente resistentes con cemento de hormigón pobre puede ocurrir cuando las fisuras en la capa ligada con cemento se han propagado a través de la capa asfáltica de desgaste y han permitido la penetración de agua en la estructura. La experiencia demuestra que el uso de capas asfálticas de mayor espesor retarda la aparición de fisuras superficiales y la tendencia actual es de usar capas asfálticas de mayor espesor en tales estructuras. En efecto, esto coloca a la capa ligada con cemento a un nivel menor en la estructura donde las tensiones son menores. Por lo tanto, el riesgo de fisuramiento es menos probable, pero si aparecieran fisuras serían menos dañinas a la estructura. Capas débiles ligadas con cementos tales como el suelo—cemento tienden a desintegrarse bajo las altas tensiones debidas al tránsito y módulo del material resulta solamente un poco mayor que el de la capa subyacente. A los fines del diseño se deberá considerar a dichas capas como material granular no ligado. Un ejemplo particular de esto ocurre cuando la parte superior de una sub-rasante de bajo CBR es estabilizada para proveer una ‘plataforma de trabajo’ que permite la compactación de la primera capa granular o de la capa asfáltica. Es obvio que no es conveniente medir el CBR o módulo de los materiales ligados con cemento para ser usados en el procedimiento de diseño directamente, ya que no se ha previsto un margen de seguridad para el fisuramiento o desintegración.

3.5 EJEMPLOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS - METODO SHELL EJEMPLO 1 Se debe construir un camino principal sobre una sub-rasante con un CBR de 5. Se estima que

volumen de tránsito en la trocha lenta mas transitada será de 15.000 cargas diarias por eje y que la vida útil será de 20 anos. La distribución estimada de cargas por eje es la siguiente:

Menor de 3.500 Kg. 75 % 3.500 – 7.250 Kg. 20 % 7.250 – 9.000 Kg. 4 % 9.000 – 11.000 Kg. 1 % Mayor de 11.000 Kg. 0 % TOTAL 100% 1° Paso: El módulo E de la sub-rasante se obtiene usando el gráfico 1, que muestra que para un

CBR de 5, E: 7000 psi. 2° Paso: El Factor de Distribución de Carga (LDF) se obtiene del gráfico 2 sumando los

valores del eje horizontal para cada categoría de carga por eje. Grupo de carga por eje (Kg.) Porcentaje (%) Contribución al LDF Menor de 3.500 Kg. 75 % 0,4 3.500 – 7.250 Kg. 20 % 1,8 7.250 – 9.000 Kg. 4 % 1,6 9.000 – 11.000 Kg. 1 % 0,9 Mayor de 11.000 Kg. 0 % 0 TOTAL 4,7 El número de diseño (N) de cargas por eje equivalente a 10 toneladas se obtiene del gráfico 3

como se indica en el diagrama interpolado N: 5x106 3° Paso: Usando el gráfico 5 para E: 7.500 psi y la curva interpolada para N: 5x106 (las

interpolaciones son logarítmicas) como se ilustra en la figura 3 se obtienen las siguientes construcciones alternativas.


Espesor Total(pulg.) (cm.) (pulg.) (cm.) (pulg.) (cm.)

1 12 30 - - 12 302 11 28 4 10 15 383 10 25 7 18 17 434 8 20 12 30 20 505 5½ 14 17 43 22½ 57

ConstrucciónEspesor total de capas

asfálticas densasEspesor total de capas

granulares

4° Paso: Considerando como ejemplo la construcción 5 y haciendo referencia a la figura 3 se

ve que los gráficos dan requerimientos de calidad mínimos para los materiales granulares. Desde los puntos de intersección de la cuerva de diseño con las líneas punteadas que indican las propiedades de los materiales granulares, se trazan líneas verticales hasta el eje horizontal del gráfico. Estas intersecciones son los requerimientos de espesor para cada material y constituyen un máximo para los materiales de bajo CBR y un mínimo para los materiales de alto CBR.

Capa asfáltica densa de rodamiento 1½ pulg. 4 cm.

Capa asfáltica densa para base (alta estabilidad)4 pulg. 10 cm.Espesor total de capa asfáltica densa 5½ pulg. 14 cm.

Capa granular con CBR mínimo 80 6 pulg. 15 cm.Capa granular con CBR mínimo 40 4 pulg. 10 cm.Capa granular con CBR mínimo 20 7 pulg. 18 cm.

Espesor total de capa asfáltica densa 17 pulg. 43 cm.

ESPESOR TOTAL 22½ pulg. 57 cm. Nota 1: 5½ pulg. (14cm) o más (según gráfico) Nota 2: 8½ pulg. (21cm) o menos (según gráfico) En forma alternativa, si se considera una construcción típica de baso negra construcci6n 2),

esta consistiría de:

Capa asfáltica densa superficiales 4 pulg. 10 cm.Capa asfáltica densa para base 7 pulg. 18 cm.

Espesor total de capa asfáltica densa 11 pulg. 28 cm.

Capa granular con CBR mínimo 20 4 pulg. 10 cm.Espesor total de capa asfáltica densa 4 pulg. 10 cm.

ESPESOR TOTAL 15 pulg. 38 cm.

Comparando estos dos diseños se reemplazan 33 cm. de base granular en construcción 5 por 14 cm. de base asfáltica densa en la construcción 2.

Centimetres

InchesTotal Thickness of Granular Layers

Tot

al T

hick

ness

of D

ense

Asp

halt

Laye

rsIn

ches

8070605040302010

Cen

timet

res

804020

40

30

20

10

00

4

8

12

16

4 8 12 16 20 24 28 32

N = 107

N = 106

N = 105

N = 104

N = 103

Minimum CBR of Granular Layers

N = 5x106

N = 2x106

Método SHELL 41

EJEMPLO 2 Se debe construir un camino con tránsito intenso (una trocha en cada dirección) sobre una sub-

rasante de CBR 10. La vida útil será de 15 años y el tránsito estimado es de 8.000 cargas por eje, por trocha y por día con la siguiente distribución de cargas por eje.

Menor de 3.500 Kg. 87,5 % 3.500 – 7.250 Kg. 11 % 7.250 – 9.000 Kg. 1 % 9.000 – 11.000 Kg. 0,5 % TOTAL 100% 1° Paso: El módulo E de la sub-rasante: 7000 psi (gráfico 1). 2° Paso: LDF: 0,44 + 1,0 + 0,41 + 0,45: 2,30 (gráfico 2). N: 106 (gráfico 3). 3° Paso: Diseños alternativos.

Espesor Total(pulg.) (cm.) (pulg.) (cm.) (pulg.) (cm.)

1 9 23 - - 9 232 6 15 7 17 13 323 4½ 12 10 25 14½ 37

ConstrucciónEspesor total de capas

asfálticas densasEspesor total de capas

granulares

4° Paso: La base granular consistirá de un espesor máximo de 15 cm. con un material de CBR

40 ó mayor, debiendo tener el material remanente para base un CBR 80 ó mayor. Comparando las construcciones 1 y 3, 4½ pulgadas de base asfáltica densa reemplazan a 10 pulgadas de base granular.

EJEMPLO 3 Se requiere un diseño apropiado para un camino de tránsito liviano en un área residencial,

donde el tránsito se compone principalmente de automóviles con algunos vehículos de reparto y camiones.

El LDF para este tipo de tránsito, que probablemente tendrá cargas por eje menores de 4.000 lb., será considerablemente menor que para cargas por eje de 8.000 lb., que es el grupo de cargas por eje más bajo del gráfico 2.

Por ejemplo, para un LDF de 0,1 el valor de N para una vida útil de 20 años con 150 cargas por eje diarias sería de alrededor de 103. Aún sobre sub-rasantes muy débiles (con CBR de 3, por ej.), 4 pulg. (10 cm.), de asfalto denso ó 2 pulg. (5 cm.), de asfalto denso con una base granular de 10 pulg. (25 cm.) serian suficientes.

Los gráficos de diseño están basados en una calidad de transitabilidad aplicables a caminos que canalizan un tránsito rápido. Para caminos locales de un costo relativamente bajo donde el tránsito es lento y es aceptable un nivel de terminación más bajo, son admisibles mayores tensiones en la sub-rasante y mayores tensiones de corte en el material granular.

Los diseños dados por los gráficos en estas circunstancias serán conservadores y generalmente será suficiente un recubrimiento superficial impermeable de menor espesor.

3.6 TABLAS Y GRAFICOS A continuación se presentan todas las cartas de diseño desarrolladas por Shell para pavimento

flexible.


Método SHELL 43

Axle L

oad

8.00

0 - 1

6.00

0 lb.

/ 3.

500 -

7.2

50 kg

.

Axle L

oad

16.0

00 -

20.0

00 lb

. / 7

.250 -

9.0

00 kg

.

Axle L

oad

> 24

.000

lb. /

>11

.000

kg.

Axle L

oad

20.0

00 -

24.0

00 lb

. / 9

.000 -

11.

000

kg.

Axle L

oad < 8

.000

lb. /

3.50

0 kg

.

% of Total Axle Loads

% of Total Axle Loads

0.1

0.5

1.0

5.0

10

50

100100

50

10

5.0

1.0

0.5

0.1105.01.00.50.1

Calculation of the LDF - Fig. 2


Método SHELL 45

1020

3040

5060

7080 32

2824

2016

128

4

16 12 8 4 0010203040

2040

80

InchesTotal Thickness of Dense Asphalt Layers

Tot

al T

hick

ness

of G

ranu

lar

Laye

rsIn

ches

Cen

timet

res

Sub

grad

e M

odul

us E

= 4

.500

psi

/ 32

0 kg

/cm

² (A

ppro

x. C

BR

3)

- F

ig. 4

N =

10

7

N =

10

6

N =

10

5

N =

10

4

N =

10

3

Min

imum

CB

R o

f Gra

nula

r La

yers


Sub

grad

e M

odul

us E

= 7

.500

psi

/ 53

0 kg

/cm

² (A

ppro

x. C

BR

5)

- F

ig. 5

Cen

timet

res

Inch

esT

otal

Thi

ckne

ss o

f Gra

nula

r La

yers

Total Thickness of Dense Asphalt LayersInches

8070

6050

4030

2010

Centimetres

8040

20

40 30 20 10 00481216

48

1216

2024

2832

N =

10

7

N =

10

6

N =

10

5

N =

10

4

N =

10

3

Min

imum

CB

R o

f Gra

nula

r La

yers

Método SHELL 47

Sub

grad

e M

odul

us E

= 1

0.00

0 ps

i / 7

10 k

g/cm

² (A

ppro

x. C

BR

7)

- F

ig. 6

Cen

timet

res

Inch

esT

otal

Thi

ckne

ss o

f Gra

nula

r La

yers


8070

6050

4030

2010

Centimetres

8040

40 30 20 10 00481216

48

1216

2024

2832

N =

10

7

N =

10

6

N =

10

5

N =

10

4

N =

10

3

Min

imum

CB

R o

f Gra

nula

r La

yers


Sub

grad

e M

odul

us E

= 1

5.00

0 ps

i / 1

.060

kg/

cm²

(App

rox.

CB

R 1

0) -

Fig

. 7

Cen

timet

res

Inch

esT

otal

Thi

ckne

ss o

f Gra

nula

r La

yers


8070

6050

4030

2010

Centimetres

8040

40 30 20 10 00481216

48

1216

2024

2832

N =

10

7

N =

10

6

N =

10

5

N =

10

4

Min

imum

CB

R o

f Gra

nula

r La

yers

Método SHELL 49

Sub

grad

e M

odul

us E

= 2

5.00

0 ps

i / 1

.770

kg/

cm²

(App

rox.

CB

R 1

7) -

Fig

. 8

Cen

timet

res

Inch

esT

otal

Thi

ckne

ss o

f Gra

nula

r La

yers


8070

6050

4030

2010

Centimetres

80

40 30 20 10 00481216

48

1216

2024

2832

N =

10

7

N =

10

6

N =

10

5

N =

10

4

Min

imum

CB

R o

f Gra

nula

r La

yers


1020

3040

5060

7080 32

2824

2016

128

4

16 12 8 4 0010203040

2040

80

InchesTotal Thickness of Dense Asphalt Layers

Centimetres

Tot

al T

hick

ness

of G

ranu

lar

Laye

rsIn

ches

Cen

timet

res

Des

ign

Num

ber

N =

10^

7 -

Fig

. 9

E =

4.5

00 p

si

Min

imum

CB

R o

f Gra

nula

r La

yers

E =

7.5

00 p

siE

= 1

0.00

0 ps

iE

= 1

5.00

0 ps

iE

= 25

.000

psi

Método SHELL 51

Cen

timet

res

Inch

esT

otal

Thi

ckne

ss o

f Gra

nula

r La

yers


8070

6050

4030

2010

Centimetres

8040

20

40 30 20 10 00481216

48

1216

2024

2832

Min

imum

CB

R o

f Gra

nula

r La

yers

Des

ign

Num

ber

N =

10

^6 -

Fig

. 10

E =

4.5

00 p

si

E =

7.5

00 p

siE

= 1

0.00

0 ps

iE

= 1

5.00

0 ps

iE

= 2

5.00

0 ps

i


Cen

timet

res

Inch

esT

otal

Thi

ckne

ss o

f Gra

nula

r La

yers


8070

6050

4030

2010

Centimetres

8040

20

40 30 20 10 00481216

48

1216

2024

2832

Min

imum

CB

R o

f Gra

nula

r La

yers

Des

ign

Num

ber

N =

10^

5 -

Fig

. 11

E =

4.5

00 p

si

E =

7.5

00 p

siE

= 1

0.00

0 ps

iE

= 1

5.00

0 ps

iE

= 25

.000

psi

Método SHELL 53

Cen

timet

res

Inch

esT

otal

Thi

ckne

ss o

f Gra

nula

r La

yers


8070

6050

4030

2010

Centimetres

8040

40 30 20 10 00481216

48

1216

2024

2832

Min

imum

CB

R o

f Gra

nula

r La

yers

Des

ign

Num

ber

N =

10^

4 -

Fig

. 12

E =

4.5

00 p

si

E =

7.5

00 p

siE

= 1

0.00

0 ps

iE

= 1

5.00

0 ps

iE

= 2

5.00

0 ps

i


4.1 INTRODUCCIÓN Si bien es cierto que le efecto de las heladas en los pavimentos ha sido observado y se han

establecido criterios de diseño desde hace años, es al Coros of Engineers U.S. Army, a quien le caben los mayores logros, por la amplia base experimental con que avalan sus conclusiones. Es a estos trabajos a los que haremos referencia con mayor asiduidad.

Existe también una profusa bibliografía a través del Highway Research Borrad. Cabe destacar que el tema ha sido considerado por diversos investigadores existiendo trabajos de S. taber, Gunnar Beskow y Arthur Casagrande desde 1930.

Al congelarse el agua, el volumen aumenta en un 9 %, por lo tanto para una penetración de la helada de un metro y para una humedad de la subrasante del 20 %, se produciría un levantamiento del pavimento de casi 2 centímetros. El efecto perjudicial de este levantamiento es mayor cuanto menos uniforme sea. El aumento de volumen debido a la formación de lentículas de hielo, en general, no es homogéneo y es precisamente este hinchamiento diferencial el que provoca la destrucción del pavimento.

4.2 FORMACION DE LAS LENTICULAS DE HIELO Al llegar las temperaturas de congelación a una subrasante constituida por suelo fino, el agua

contenida en los poros se solidifica con el consiguiente aumento de volumen. Al producirse el deshielo el agua abandona este poro dilatado, dejando una cavidad mayor que la original.

La reiteración de este ciclo de congelamiento y deshielo en uno o más reúne la suficiente cantidad de poros como para constituir una lentícula de tamaño tal que pueda producir la destrucción del pavimento.

Los cristales de hielo formados en los vacíos ejercen atracción sobre el agua retenida en las adyacencias, la cual migra hacia ellos y se solidifica con su contacto. Este mecanismo del movimiento del agua en la subrasante es probable que se deba a algunas de las siguientes razones:

a) Circulación del agua al estado de vapor. b) Circulación del agua debido al gradiente de temperatura con dirección hacia los

puntos más fríos. c) Inmediatamente debajo de la lentícula de hielo se acelera el desplazamiento del agua

debido a la variación del potencial de capilaridad. Durante el período de deshielo la capacidad soporte del pavimento se encuentra fuertemente

disminuida a causa de la gran humedad que el suelo posee en ese momento. Como consecuencia de esto se producirán rugosidades en la superficie de carácter inadmisible, agrietamiento de las losas de hormigón, posible pérdida de compactación, restricción del drenaje a causa de los estartos congelados, etc, todo lo cual conduce a la figuración y deterioro del pavimento.

Las condiciones necesarias para que se produzca la formación de hielo son las siguientes: 1) El suelo debe ser susceptible a la helada. 2) Las temperaturas de congelamiento deben penetrar el suelo.

4

Método del Índice de Congelamiento

Método del Índice de Congelamiento 55

3) Debe haber disponible una fuente de agua, tal como napa freática, infiltración acuífera o agua retenida dentro de los vacíos de los suelos de graduación fina.

Este fenómeno prosigue así hasta que no haya más fuentes de agua a que la temperatura esté por encima de los 0ºC.

Debe considerarse que un limo es peor suelo que una arcilla con respecto a su comportamiento frente a las heladas, debido as u mayor permeabilidad y a su mayor tamaño de poros, lo cual posibilita la formación de lentículas mayores por un número menor de ciclos de congelamiento y deshielo.

4.3 EFECTOS PERJUDICIALES DE LAS HELADAS EN LOS PAV IMENTOS El hinchamiento del suelo provoca el levantamiento del pavimento, el cual puede ser uniforme

o no, lo que depende de la variación en el tipo de suelo y de las condiciones de humedad existentes en las distintas zonas. El levantamiento uniforme permite que se mantengan las mismas condiciones de lisura de la superficie del pavimento que las que existían inicialmente; solamente se puede dar tal hinchamiento uniforme si el terraplén es de un espesor perfectamente uniforme, si la profundidad de la napa de agua se mantiene a igual distancia y si el suelo mantiene características uniformes horizontalmente.

En el levantamiento no uniforme, se notan diferencias apreciables en el hinchamiento de zonas adyacentes, dando un desnivel objetable.

Los drenes, las alcantarillas, los tubos y en general todo material drenante, colocados debajo de un pavimento que descansa sobre una subrasante susceptible al congelamiento, frecuentemente tendrán un levantamiento diferencial pronunciado, a causa de las diferencias que tales elementos introducen en las condiciones de la subrasante; siempre que sea posible, debe evitarse la colocación de esos elementos debajo del pavimento. Todos los drenes o artefactos similares deben colocarse primero y luego construirse la base anticongelante, con el propósito de obtener la máxima uniformidad posible; si se procediera a la inversa (construir la base anticongelante y luego hacer zanjas para colocar los caños de drenaje) la uniformidad se perderá y no se obtendrá el mismo grado de compactación; además la cantidad de fino del material removido y vuelto a colocar se puede incrementar a causa de la incorporación de suelo de la subrasante durante la operación de zanjeo, o por la formación de finos por el manipuleo adicional.

Cuando no pueden evitarse las interrupciones en la uniformidad, la mejor solución para el diseño es la de usar un espesor suficiente de base no susceptible al congelamiento, a fin de que el levantamiento esté completamente prevenido.

La capacidad soporte puede reducirse aún, sin que se produzcan levantamientos de importancia; tal puede ser el caso de subrasantes arcillosas donde el aumento de espesor producido por la formación de las lentículas de hielo, se encuentra balanceado por la contracción que sufre el suelo a mayor profundidad, como consecuencia de la disminución de la cantidad de agua, la que fue atraída por las lentículas de hielo formadas.

La magnitud de pérdida de resistencia durante el período de deshielo y el lapso que dura esta resistencia reducida, depende del tipo de suelo, de las condiciones de temperatura durante los períodos de congelamiento y deshielo, de la cantidad y tipo de tránsito durante el deshielo, del suministro de humedad durante el otoño, invierno y primavera y de las condiciones de drenaje.

A causa de los levantamientos diferenciales, se forman fisuras y rugosidades en la superficie del pavimento. Según estudios realizados en pavimentos rígidos, se comprobó que las fisuras se desarrollan más rápidamente durante e inmediatamente después del período de fusión –como consecuencia de un deshielo diferencial- que durante el período de activo levantamiento.

En los pavimentos flexibles se puede producir figuración a causa de la contracción del pavimento y de la base debido a las temperaturas extremadamente bajas. Desafortunadamente, en el momento que se producen las mayores tensiones, el pavimento flexible es menos dúctil y más frágil. La manera de contrarrestar este efecto es la de sellar las fisuras periódicamente cuando se considere que la entrada de humedad a través de ellas pueda ser perjudicial o cuando se puedan producir astillas que afecten al material rodante.

4.4 CARACTERISTICAS DEL MATERIAL DRENANTE Para impedir que el caño de drenaje se colmate con material drenante, penetrando a través de

las perforaciones, deberán ser satisfechas las siguientes condiciones: Para perforaciones circulares

0,185 . >

nperforació

drenantemat

Diámetro

D

Además el material drenante debe ser no susceptible a la helada o sea, que debe tener, en peso, menos del 3 % de más fino que 0,02 mm.


Para impedir que las partículas de suelo fino de la subrasante susceptible penetren dentro del material drenante, se deberán satisfacer las siguientes condiciones:

585

85

,

. ≤subrasantesuelo

drenantemat

D

D

2550

50

,

. ≤subrasantesuelo

drenantemat

D

D

Estos criterios sirven para proteger todos los suelos excepto arcillas medianas o altamente plásticas, sin arena ni partículas de limo, las cuales podrían exigir filtros de capas múltiples, ateniéndonos a los criterios mencionados. En estos suelos arcillosos, el tamaño de D15 del material drenante puede ser grande como 0,4 mm; el criterio de D50 no se aplica; el coeficiente de uniformidad no será superior de 20 para asegurar la no segregación del material drenante y su correcta graduación. Además, el material drenante debe ser no susceptible a la helada, o sea que debe tener, en peso, menos del 3 % de pasa tamiz ideal de 0,02 mm.

En lo que respecta a caños de hormigón poroso no hay criterios satisfactorios; en ausencia de éstos se sugiere utilizar los siguientes criterios conservativos:

585

15

.

. ≤adyacentemat

cañoagreg

D

D

La condición necesaria para que el adua libre llegue al caño es:

515

15

,

. ≥subrasantesuelo

drenantemat

D

D

La constitución del filtro tiene la dificultad de la compactación en un espacio reducido y la tendencia a la segregación de las partículas; un material drenante con un coeficiente de uniformidad alto:

10

60

D

DCu =

evitará la segregación durante la colocación, pero no es deseable un coeficiente de uniformidad mayor de 20. Un tenor de humedad óptimo durante la colocación ayudará a prevenir la segregación.

4.5 CLASIFICACIÓN DE SUELOS POR SU SUSCEPTIBILIDAD A LAS HELADAS La formación de las lentículas de hielo en un suelo, depende en gran parte del tamaño de sus

vacíos, los que, por supuesto, están relacionados con el tamaño de las partículas que lo componen. La mayoría de los suelos inorgánicos que contienen 3 % o más de granos más finos que 0,02 mm, son susceptibles al congelamiento. Las gravas, las arenas bien graduadas y las arenas limosas que contienen el 1,5 al 3 % más fino en peso que 0,02 mm, se deben considerar como posibles suelos susceptibles y para evaluar su comportamiento real durante el congelamiento, deben someterse a un ensayo de laboratorio de susceptibilidad a la helada.

Los suelos arenosos uniformes pueden tener hasta el 10 % de finos que pasen los 0,02 mm en peso, sin que sean susceptibles al congelamiento; sin embargo su tendencia a mezclarse con otros suelos hace impracticables considerarlos a ellos por separado.

Para el diseño del pavimento considerando los efectos de la helada, se dividen los suelos susceptibles al congelamiento en cuatro grupos, como se observa en la Tabla I.

La división entre los grupos F1 y F2 es debido a que los materiales que pertenecen al primer grupo pueden presentar mayor capacidad soporte que los del grupo F2 durante el deshielo, aunque ambos hayan experimentado igual formación de hielo.

Las arcillas con índice de plasticidad mayor de 12 son menos susceptibles a las heladas debido a la menor permeabilidad que tienen respecto de las arcillas menos plásticas -IP < 12-. En estas últimas el agua migra hacia las zonas de congelamiento con mayor facilidad, aumentando la formación de la lentículas de hielo.

Entre las arcillas de baja plasticidad y los limos, son estos últimos los que presentan mayor susceptibilidad al frío y una disminución, también mayor, de la resistencia de su valor soporte, lo cual puede determinar la necesidad de imponer restricciones de carga durante la temporada crítica del deshielo, o bien exponerse a la falla del pavimento a los pocos años de construido. Las arcillas, en cambio, durante el período posterior al deshielo, recuperarán más lentamente su capacidad soporte, debido a que el agua del descongelamiento drena más lentamente.

Las vetas de arcilla consisten en capas alternadas de limo y arcilla, con lo cual se encuentran combinadas las propiedades indeseables de ambos suelos.


La clasificación que aparece en la tabla no es rígida, sino que un tipo de suelo se puede hacer coincidir con otro grupo de helada que no sea el que aparece en la tabla (siempre que no difiera en más de un número en el grupo de helada); sin embargo, este cambio debe tener plena justificación, la que debe basarse en condiciones especiales de humedad de la subrasante o de uniformidad del suelo, pudiendo incluir datos de comportamiento de pavimentos locales.

El grado real de susceptibilidad al congelamiento debe medirse en los casos límite con un ensayo específico y no sólo por las características mecánicas de granulometría y plasticidad. La normalización de un Ensayo para esta determinación debe ser motivo de un estudio particular.

TABLA I

4.6 INDICE DE CONGELAMIENTO No es sólo el efecto de una baja temperatura lo que produce el congelamiento del suelo, sino la

acción continuada de bajas temperaturas. De allí la necesidad de desarrollar nuevos conceptos que integren la temperatura a través del tiempo.

Grados-día: Es la diferencia, para un día cualquiera, de la temperatura promedio diaria del aire de ese día y 0ºC. Sumando algebraicamente los grados-día de días sucesivos, se obtiene una curva de grados-día acumulados, tal como se observa en la figura 2.

Índice de congelamiento: Es el número de grados-día entre el punto más alto y el más bajo de la curva de grados-día, acumulados, siempre tomados en la rama descendente de la misma (ver figura 2). Es una medida de la magnitud y duración combinada de las temperaturas promedio diarias negativas. El índice determinado con las temperaturas del aire se designa “Indice de congelamiento”.

Índice de congelamiento de diseño: La curva de grados-día acumulados debe tratarse en base a un promedio de los tres inviernos más fríos de los últimos 30 años. Si no se dispone de información de 30 años se puede trazar con el invierno más frío de los últimos 10 años. Se trabaja con temperaturas del aire -tomadas a 1,35 m sobre la superficie-. El índice de congelamiento de diseño es la diferencia de grados-día entre el punto más alto y el más bajo de la curva (figura 2). Para evitar la necesidad de adoptar cada año un nuevo índice de diseño, el mismo se puede calcular cada 5 años, dado que la variación que puede existir será muy pequeña. Solamente se


tornará necesario calcularlo cuando se note que se produjo un cambio significativo en la temperatura.

FIGURA 2

4.7 PENETRACION DE LA HELADA La determinación de la profundidad a que penetran las heladas fue determinada teóricamente

por Stefan y Berggren y responde a la siguiente fórmula:

L

FKX

...415λ=

X: profundidad de la helada, [cm] λ: coeficiente de corrección K: cantidad de calor que se transmite a través de la unidad de superficie, durante la unidad de

tiempo, bajo efecto de un gradiente térmico unitario, [cal/cm seg ºC] F: índice de congelamiento, [ºC.día] L: calor latente volumétrico, es la cantidad de calor despedida por el hielo en la unidad de

volumen del suelo, [cal/cm3] Un detalle de calcular K y L y de determinar λ se puede encontrar en la obra citada en “Frost

Penetration below Highway and Airfield Pavement” publicación 135 del Highway Research Borrad – 1956, pero se logra tras un proceso iterativo. Cuando los índices de congelamiento son mayores de 50ºC-día es más práctico recurrir a los gráficos de figuras 3 y 4 para determinar la penetración de la heladas.

Par utilizar estos gráficos se necesitan, el peso específico seco del suelo y el contenido de humedad, expresado en % del peso específico seco. Además:

• Las profundidades de penetración de la helada se basan en la fórmula de Berggren

modificada • Las profundidades de penetración de la helada se miden desde la superficie del

pavimento. • Las profundidades que aparecen están calculadas para 30 cm de espesor de pavimento

rígido y, en buena aproximación, para pavimentos flexibles sobre 15 a 23 cm de base de alta calidad.

La profundidad de penetración hallada deberá considerarse como un valor posible, aunque de

no gran exactitud. En general se debe recurrir también a la experiencia de campo, a los caminos existentes en la zona, sometidos a un régimen similar y finalmente al criterio profecional el cual será en definitiva el que dará el espesor de diseño.


FIGURA 3

FIGURA 4


4.8 CARACTERISTICAS DE LA BASE ANTICONGELANTE Cuando el nivel superior de la napa freática se encuentra durante todo el año dentro de los 1,50

m de la rasante propuesta, las condiciones de humedad de ese terreno con adversas en lo referente a la formación del hielo que se pudiera producir. En cambio, si el nivel superior de la napa en todo el año se mantiene a una profundidad de 3 m por lo menos, puede esperarse un levantamiento reducido. Aunque el levantamiento reducido se tolera para pavimentos flexibles, puede ocurrir que no sea aceptable para pavimentos rígidos debido a la figuración que se pueda presentar en el futuro, aun para pequeños levantamientos. Pero si la subrasante es de arcilla homogénea, el agua que pudiera contener puede ser suficiente para ocacionar el levantamiento, por mas que la napa esté a un nivel inferior a los 3 m; sin embargo, es poco probable que se produzca hinchamiento si esa humedad no supera el 70 % de la saturación, aunque no conviene tener en cuenta mucho esto, porque, ya sea por infiltración superficial o por otras fuentes, la saturación se puede alcanzar fácilmente.

La base anticongelante de be estar constituida por materiales no susceptibles al congelamiento. La dimensiones y permeabilidad de la base deben satisfacer los criterios de drenaje, a la vez que el espesor necesario para prevenir las heladas. Este espesor debe incrementarse, si fuera necesario, para cumplir con el criterio de drenaje subsuperficial.

Si el espesor combinado de pavimento y base no susceptible al congelamiento, es menor que el que se obtiene de aplicar el método de Penetración Limitada de la Helada en la Subrasante -ver más adelante- se debe hacer cumplir los siguientes requisitos:

a) Sub-base drenante o filtro sobre la subrasante: Tanto para pavimentos rígidos como para flexibles, los 10 cm inferiores de la base anticongelante deben consistir en arena no susceptible, arena con grava, desecho de criba o material similar; debe proyectarse como una sub-base drenante o sea proyectarse como un filtro entre el suelo de subrasante y el material de la base anticongelante, con el propósito de prevenir la intrusión de la subarsante susceptible a la helada dentro de la base anticongelante, durante e inmediatamente después del período de deshielo. Este filtro no intenta servir como capa de drenaje.

El material de filtro, en ningún caso, debe contener más del 3 % en peso de partículas más finas que 0,02mm. La experiencia muestra que si no se coloca este filtro, el efecto de amasado del tránsito produce el mezclado de suelo de subrasante y material de base anticongelante durante el período de deshielo. La experiencia y los ensayos indican que la arena no susceptible al congelamiento es especialmente adecuada como capa filtrante. El espesor mínimo de filtro de 10cm, se debe a requisitos constructivos, pero se debe colocar mayor espesor cuando las condiciones de campo así lo requieran. Sobre subrasantes blandas pueden ser necesarios 15 cm o más, para soportar el equipo de construcción y para proveer una plataforma de trabajo para colocar y compactar la base anticongelante.

b) Filtro debajo de losas de pavimento: Este filtro se coloca con el propósito de prevenir pérdida de soporte en los pavimentos rígidos, causada por el bombeo del suelo. Este material debe estar constituido por un granulometría en la cual el tamaño del tamiz Nº 10. Por razones constructivas la caja debe tener como mínimo un espesor de 10 cm.

4.9 METODO DE DISEÑO El diseño del pavimento en zonas de helada debe basarse en uno de los siguientes conceptos

básicos: a) Control de la deformación de la superficie. b) Provisión de una adecuada capacidad soporte del pavimento durante el período crítico.

De acuerdo con el primer concepto, se dimensiona el pavimento con vista a alguno de los dos siguientes objetivos:

1) Eliminar por completo los efectos que la helada pudiera producir sobre el pavimento. 2) Limitar tales efectos permitiendo levantamientos aceptables, los que se producen

porque se permite que la helada penetre algo en la subrasante susceptible al congelamiento. Por lo tanto, contamos con tres métodos: Método de Protección Completa. Método de Penetración Limitada de la Helada en la Subrasante. Método de Resistencia Reducida de la Subrasante. El primer paso es el de seleccionar el método más conveniente para el dimensionamiento, para

lo cual se utiliza la tabla II. El grado de variación horizontal del suelo de la subrasante y de las condiciones de humedad, se

pueden clasificar en una de las cuatro categorías, a saber: Uniforme.


Poco variable. Variable. Extremadamente variable. TABLA II

La distinción de cada una se da en la misma tabla, siendo su diferenciación puramente cualitativa. Para su elección se debe usar el buen criterio, el que se debe basar en el comportamiento de pavimentos en la zona y en un cuidadoso estudio del perfil geotécnico. A veces, un pavimento se puede diseñar por tramos, según sea la zona que atraviesa

Una vez elegida la categoría, el método de diseño se extrae de la tabla II. Debe notarse que el espesor que se obtenga considerando el período normal, verano y otoño,

como se hace en el diseño sin heladas, debe tener prioridad sobre el espesor que se obtenga por congelamiento cuando el primero es mayor que este último. En este caso el espesor dado por los métodos de diseño con heladas debe ser cubierto con materiales no susceptibles; el resto hasta completar las necesidades estructurales se completará con materiales comunes. Si en una subrasante uniforme o ligeramente variable, tenemos pequeños bolsones aislados de suelos altamente susceptibles a la helada, puede ser preferible excavarlos y rellenados con suelo semejante al resto de la subrasante, antes que variar el diseño; también mediante un buen drenaje pueden corregirse condiciones adversas de humedad en esas áreas pequeñas.

Método de Protección Completa

Este método de diseño permite la eliminación completa de la deformación de la superficie que pudiera ocasionar la helada, dando un espesor tal a la capa de base que la helada no penetre en la subrasante susceptible al congelamiento. Se utiliza sólo bajo condiciones excepcionales: el suelo de la subrasante pertenece al grupo F3 o F4, la variaciones horizontales del suelo y de la humedad son extremas y el Método de Penetración Limitada no da un control adecuado del levantamiento y la fisuración.

Para obtener el espesor combinado -pavimento y base anticongelante- requerido por este método, se utilizan las figuras 3 y 4. El espesor combinado está dado por el valor a.

Método de Penetración Limitada de la helada en la s ub-rasante

Este método intenta mantener la deformación superficial en valores pequeños, aceptables, en lugar de eliminarlos completamente. Se aplica principalmente a subrasantes poco variables y


variables, en las que la aplicación de Método de Resistencia reducida producirá una figuración inaceptable en los pavimentos rígidos y una rugosidad inadmisible en los pavimentos flexibles. En la tabla II se observan las circunstancias en las que siempre se puede aplicar este método. Las excepciones se producen cuando el suelo es tan extremadamente variable que debe utilizarse el Método de Protección Completa y en aquellos casos en que se piensa que el pavimento flexible puede sufrir levantamientos no uniformes y figuración tales que no se consideren perjudiciales.

En algunos sitios puede ser posible corregir las causas de levantamiento no uniforme, removiendo todas las zonas donde aparezca el suelo más susceptible a la helada, o dando una transición gradual a los cambios bruscos del suelo de la subrasante.

FIGURA 5

El procedimiento para calcular el espesor de la base es el siguiente: 1) Estimar el contenido de humedad promedio en la base anticongelante y en la subrasante

al comienzo del período de congelamiento y el peso específico seco de la base anticongelante.

2) De las figuras 3 ó 4 ó de la fórmula de Berggren modificada, determinar el valor de α, que representa el espesor combinado de pavimento y base no susceptible a la helada necesario par que no se produzca congelamiento en la subrasante. Los gráficos están


calculados para un pavimento rígido de 30 cm de espesor de losa, o para un pavimento flexible promedio manteniendo libre de hielo y nieve. Los pavimentos de hormigán de más de 30 cm se calculan en igual forma, pero se debe entrar con el índice de congelamiento reducido en 6 grados-día por cad 2,5 cm de aumento de espesor por encima de los 30 cm; luego de hallado el espesor combinado a, se lo debe sumar este espesor extra.

3) Calcular el espesor de la base anticongelante, c haciendo: c = a – p Donde p es el espesor del hormigón o del asfalto. Este valor de c es el espesor de base no susceptible, necesario para que la helada no llegue a la

subrasante y es el que se toma para el diseño en el Método de protección Completa. 4) Calcular el cociente: r = Ws/Wb Ws: humedad de la subrasante Wb: humedad de la base 5) Entrar en la figura 5, con c y con r y sacar en la escala de la izquierda el espesor de la

base b; en la escala de la derecha se leerá el valor que penetrará la helada en la subrasante, s. Si el valor de r sobrepasa a 2,0 se debe usar igualmente la recta de r = 2,0. La razón de limitar r a un valor máximo de 2,0 obedece a que no toda la humedad, en los suelos de granulometría fina, se congela realmente a la temperatura de congelamiento, la cual será alcanzada en la porción superior de la subrasante.

Los 10 cm inferiores de la base diseñada de espesor b, deben ser construidos con material de filtro, a menos que el material seleccionado para base no susceptible cumpla de por sí con el criterio de filtro o sub-base drenante. Cuando el espesor máximo combinado de pavimento y base requerido por este diseño excede los 1,80 m, debe hacerse un estudio de alternativas como las siguientes: 1) Limitar el espesor total combinado 0 1,30 m y en pavimentos rígidos, colocar acero de

refuerzo para prevenir grandes fisuras. 2) Limitar las dimensiones máximas de la losa, en caso de no utilizar refuerzo. 3) Reducir el espesor combinado requerido, utilizando una base no susceptible al

congelamiento de arena fina uniforme, con alta retención dfe humedad en la condición drenada, en lugar de material de más libre drenaje.

Método de Resistencia Reducida de la sub-rasante

FIGURA 6


Este método se puede usar tanto para pavimentos rígidos como para flexibles y sobre subrasantes que estén dentro de alguno de los grupos F1 a F3 cuando la subrasante es horizontalmente uniforme (o también cuando es poco variable, en el caso de pavimentos flexibles) tal que no se presentarán levantamientos significativos u objetables que se traduzcan en la figuración del pavimento. También puede utilizarse sobre subrasantes horizontalmente variables de cualquier grupo, si se tarta de un pavimento flexible que es segundario y sobre el que no se desarrollarán velocidades altas, siempre y cuando se considere que el levantamiento y sus efectos se puedan tolerar. Cuando corresponde utilizar este método sobre subrasante F4, se debe diseñar con la curva F3.

En zonas muy frías, en general, en los proyectos de caminos se usa el método de resistencia reducida de la subrasante, no recomendándose para pavimentos rígidos sobre subrasantes F4 con condiciones de humedad adversas. En zonas donde la temperatura invernal no es extrema y por ende tendremos índices de congelamiento bajos, corresponderá diseñar con el método de penetración limitada de la helada en la subrasante, pues este método exigirá un espesor total inferior al del método de resistencia reducida de la subrasante; también se aplicará en zonas con condiciones de subrasante muy variada.

Si la subrasante presenta una buena uniformidad, o pequeñas variaciones horizontales peor tiene bolsones aislados de suelo altamente susceptible, puede ser más conveniente excavarlos t reemplazarlos con suelos no susceptibles y/o de menor susceptibilidad al frío; hay casos en que un buen drenaje mejora suficientemente las condiciones adversas de la subrasante.

Índice de Diseño: El Índice de diseño se determina a partir de la composición del tráfico y del tipo de vehículos. Grupo I: automóviles y pick-ups. Grupo II: camiones livianos (2 ejes). Grupo III: camiones pesados (3-4-5 ejes). Categoría I: 99 % del grupo I más 1 % del grupo II Categoría II: 90 % del grupo I más 10 % del grupo II. Categoría III: 85 % del grupo I, más 14 % del grupo II más 1 % del grupo III. Categoría IV: 75 % del grupo I, más 15 % del grupo II más 10 % del grupo III. En nuestro país por las características del tránsito estaremos, en general, dentro de la categoría

IV. Con la clase de ruta, obtenida de la tabla III, y con la categoría, hallamos el índice de diseño de

la tabla IV.

TABLA III

Clase de Ruta I II III IVA 3 4 5 6B 3 4 5 6C 3 4 4 6D 2 3 4 5E 1 2 3 4F 1 1 2 3

Categoría


TABLA IV

Si el espesor determinado por este método excede el obtenido por el Método de Penetración Limitada, debe utilizarse el menor valor, siempre que éste sea igual o mayor que el que se obtiene por la condición sin congelamiento.

En situaciones donde se considera que la aplicación del Método de Resistencia Reducida puede dar una rugosidad inaceptable o fisuras objetables, pero que se piensa que el uso del Método de Penetración Limitada no es necesario, se pueden adoptar espesores intermedios.

Se pueden hacer las siguientes consideraciones, de acuerdo al tipo de pavimento: 1) Pavimento flexible. La experiencia muestra que, en terraplenes relativamente angostos, se puede producir una

menor pérdida de capacidad soporte que en los desmontes cercanos, a causa de la mayor facilidad de drenaje en el primer caso; si los datos que se pueden obtener en el terreno revelan que estamos en esta situación, entonces se permite una reducción del espesor combinado de hasta un 10 %.

En ningún caso se permite que el espesor combinado de pavimento y base anticongelante sea inferior a los 23 cm.

2 ) Pavimento rígido. Si la subrasante es horizontalmente uniforme, debe usarse una base de espesor, por lo menos,

igual al del pavimento de hormigón, excepto en los siguientes casos: a) Cuando los suelos de subrasante de los grupos F1, F2, y F3 se presenten en condiciones

de uniformidad horizontal y el índice de congelamiento de diseño es menor que 556ºC-día, el espesor mínimo de la base no susceptible al congelamiento debe ser de 10 cm, diseñado teniendo en cuenta los requisitos de filtro sobre la subarsante o sub-base drenante que se enunciaron anteriormente.

b) Donde los suelos de los grupos F1, F2 y F3 se presentan uniformes horizontalmente y la profundidad de la napa está a más de 3 m, el espesor mínimo de la base anticongelante debe ser de 10 cm, diseñada considerando que debe trabajar como filtro sobre subrasante o sub-base drenante.

El espesor de la losa de hormigón debe calcularse utilizando el módulo de reacción de la subrasante para el período de deshielo, que se extrae de la figura 7. Si el valor del módulo de la subrasante que se obtiene realizando el ensayo en el período normal es menor que el obtenido de esta figura 7, el valor del ensayo debe gobernar el diseño. No se debe intentar el ensayo del plato de carga en la época de deshielo, ya que es muy difícil de evaluar.


FIGURA 7

4.10 TRANSPOSICION DEL INDICE DE CONGELAMIENTO En el caso de tener que determinar el índice de congelamiento de diseño de un camino, cuya

traza difiere mucho, altimétricamente, de las estaciones meteorológicas de las cuales se poseen datos de temperatura y que a su vez hay diferencias de altura entre ellas, pero sujetas a un mismo régimen, se determina la relación de índices de congelamiento a cota de terreno. Esta relación se denomina “velocidad de caída” (lapse rate) -es el incremento promedio del índice de congelamiento correspondiente a un incremento altimétrico unitario- y mediante ella determina el índice de diseño con suficiente aproximación.

Estudios realizados por U.S.A.C.R.R.E.L. (United State Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hannover, New Hampshire) en cuatro áreas montañosas demuestran que si se dispone de suficientes datos de temperaturas se puede determinar la “velocidad de caída” (lapse rate) correspondiente a un área determinada, por ejemplo: 160 Km de diámetro, pero debido a la diferencia existente entre las “velocidades de caída” correspondiente a distintas áreas, aun cuando éstas estén sometidas al mismo régimen climático, determ9inan que cada área tiene su propia velocidad de caída, no pudiéndose aplicar a otra área. La precisión promedio alcanzada al trasponer índices es del orden de los 140 grados-día. Esta exactitud podría ser mayor si además de la altimetría se tienen en cuenta la exposición a la intemperie, la ubicación y el efecto de las variaciones de temperatura. Para determinar la influencia de estos datos, se debe obtener la mayor cantidad posible de información, de las estaciones meteorológicas ubicadas en una montaña y preferentemente en un grupo de montañas, a distintas alturas intermedias entre la case y la cumbre y sobre distintos tipos de pendientes.

La transposición del índice de congelamiento de diseño, en zona con significativas diferencias altimétricas y cuando los registros de temperatura son insuficientes, se deben determinar con los registros completos de dos años consecutivos y preferentemente de tres años consecutivos de la localidad en estudio.

4.11 RECOMENDACIONES GENERALES Para finalizar este trabajo, caben las siguientes recomendaciones, a las que hay que ajustarse

para lograr un eficiente control de las heladas 1) Adecuado proyecto de niveles: Se debe tratar que el pelo de agua de la cuneta

esté lo suficientemente alejado como para que el agua no pueda llegar fácilmente a la subrasante.


2) Utilización de suelos seleccionados: Hemos visto que es fundamental la utilización de una capa más o menos gruesa de material no susceptible a la helada, a fin de impedir que ésta haga sentir sus efectos sobre la subarsante susceptible al congelamiento.

3) Control de la compactación: Es conveniente compactar a los suelos con una humedad superior, levemente a la óptima, con lo que se obtendrá una menor densidad y el agua podrá circular menos libremente porque la permeabilidad se redujo, con lo que el agua demora más en trasladarse hacia la zona helada, a la vez que se dificulta la saturación de la subrasante durante el período lluvioso. Estas apreciaciones se basan en experiencias realizadas sobre suelos finos.

4) Control de laboratorio: El material constituido de la base anticongelante debe tener menos del 3 % de más finos que 0,02 mm; la determinación se efectúa mediante un ensayo Bouyoucus; no obstante, para facilitar la tarea de campaña se podría considerar a los finos, en una rápida determinación, que un suelo no susceptible, es aquel que tiene menos del 6 % de pasa tamiz 200. El Estado de New Hampshire, por ejemplo, fijó este límite. Para control más exacto se debe realizar ensayo de congelamiento.

5) Selección de las temperaturas más representativas a usar: En índice de congelamiento debe determinarse en base a datos de temperatura suministrados por estaciones meteorológicas muy próximas a la obra proyectada. De no disponer de esta información, debe preferirse el uso de estaciones con similitud climática a las que tendremos en la obra, a la interpolación de datos provenientes de estaciones con climas diversos aun cuando están más cercanas a la obra.

Diseño Estructural de Pavimentos

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