Carretera_Izcuchaca-Huancavelica_MD Suelos y Pav

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ESTUDIOS DEFINITIVOS COMPLEMENTARIOS PARA LA REHABILITACIÓN Y MEJORAMIENTO DE LA CARRETERA: IZCUCHACA - HUANCAVELICA

TRAMO I: km 00+000 - km 30+000

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN 4 GENERALIDADES 5

Ubicación 5 Clima 5

CAPÍTULO I: ESTUDIO SUELOS, CANTERAS Y DISEÑO DEL PAVIMENTO

I.1 OBJETIVO 7 I.2 ESTUDIOS DESARROLLADOS PARA LA PAVIMENTACION DE LA

CARRETERA 7

I.3 ESTUDIO DE SUELOS 8 3.1 Metodología 8 3.2 Caracterización de las capas granulares 10 3.2.1 Superficie de rodadura 10 3.2.2 Descripción de las capas granulares de la subrasante 13 3.3 Capacidad relativa de soporte de los suelos de subrasante 14 3.4 Mejoramiento de la subrasante 16 I.4 ANÁLISIS DE TRÁFICO 17 I.5 ESTUDIO DE CANTERAS Y FUENTES DE AGUA 17

5.1 Cantera “Santa Cecilia” (Ex – Casma) 19 5.2 Cantera km 11+000 20 5.3 Cantera Tapana 21 5.4 Cantera km 17+500 21 5.5 Fuentes de agua 22

I.6 DISEÑO DEL PAVIMENTO 22 6.1 Método AASHTO 23 6.1.1 Descripción del método 23 6.1.2 Parámetros de diseño 24 6.1.3 Diseño del pavimento para 10 años 26 6.2 Método del Instituto del asfalto 28 6.2.1 Descripción del método 28 6.2.2 Parámetros de diseño 28

2

6.2.3 Diseño del pavimento 29 I.7 ACTIVIDADES PARA LA REHABILITACIÓN Y MEJORAMIENTO DEL

PAVIMENTO 30

I.8 CONCLUSIONES 31 I.9 RECOMENDACIONES 34 CAPÍTULO II: ESTUDIO DE GEOLOGÍA Y GEOTECNIA II.1 OBJETIVOS 48 II.2 GEOLOGÍA GENERAL 48 II.3 GEODINÁMICA EXTERNA, ÁREAS CRÍTICAS Y TALUDES DE CORTE 49 II.4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 58 CAPÍTULO III: ESTUDIO DE HIDROLOGÍA Y DRENAJE III.1 GENERALIDADES 61 1.1 Cartografía 62 1.2 Hidrometría 62 1.3 Pluviometría 63 III.2 OBJETIVO DEL ESTUDIO 65 III.3 ANÁLISIS HIDROLÓGICO 65 3.1 Información básica 65 3.2 Hidrología estadístico 65 3.2.1 Distribución de Gumbel 66 3.2.2 Distribución Log Pearson III 68 3.2.3 Pruebas de ajustes Kolmogorov - Smirnov 69 3.3 Periodo de retorno y vida útil de las estructuras de drenaje 74 III.4 SUBCUENCAS HIDROGRÁFICAS 77 III.5 CAUDAL DE DISEÑO 77 5.1 Método Racional 77 5.2 Método de Hidrograma Unitario del SCS 79 5.3 Método Racional Modificado 80 5.4 Caudal de diseño de las subcuencas hidrográficas 81 III.6 OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIALES 82 6.1 Obras de drenaje existentes 82 6.1.1 Alcantarillas 82 6.1.2 Pontones 83 6.1.3 Badenes 84 6.1.4 Cunetas 84 6.2 Obras de drenaje proyectadas complementarias 84 6.2.1 Alcantarillas 84

3

6.2.2 Cunetas laterales 86 6.2.3 Zanjas de coronación 88 6.2.4 Subdrén longitudinal 88 6.3 Evaluación de zonas críticas 90 III.7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 91

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TRAMO I: km 00+000 - km 30+000

INTRODUCIÓN

En atención a lo dispuesto por la Dirección General de Caminos y Ferrocarriles del

Ministerio de Transportes y Comunicaciones (Memorándum N°052-2005-MTC/14),

atendiendo la solicitud de Provias Nacional (Memorándum N°019-2005-MTC/20), personal

técnico de la Oficina de Apoyo Tecnológico se constituyó en la ciudad de Huancavelica en

enero 2005 a fin de proceder a ejecutar los trabajos de campo para complementar e

implementar los estudios de Suelos, Canteras, Hidrología, Drenaje, Geología, Geotecnia y

Diseño de pavimento del “Expediente Técnico Rehabilitación y Mejoramiento de la Carretera

Izcuchaca – Huancavelica, Tramo I: km 00+000 – km 30+000” efectuado por el Consorcio

CPA durante el año 2004, para el Gobierno Regional de Huancavelica.

La complementación e implementación de este estudio se ha efectuado con la

finalidad de subsanar las observaciones que formularan los especialistas del Provias

Nacional (Junio y Setiembre 2004) al expediente desarrollado por el Consorcio CPA en los

capítulos de suelos, canteras, geotecnia, drenaje y diseño del pavimento. La programación

de trabajos de campo y presentación de los estudios ha sido influenciada básicamente por

las limitaciones de tiempo para ejecutarlas, que fueran señaladas por Provias Nacional.

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GENERALIDADES

Ubicación

El tramo I : km 00+000 – km 30+000 de la carretera Izcuchaca - Huancavelica, se

ubica en el Departamento de Huancavelica, Provincia de Huancavelica, formando parte de

la Región “Los Libertadores - Wari”. Este tramo carretero tiene como punto de inicio la

Ciudad de Izcuchaca (km 00+000) con una altitud de 2 800 msnm, y como punto final del

tramo, la localidad de Palca (km 30+000) con una altitud de 3 600 msnm; pasando por las

localidades de Tambillo, Tapana, Chajoma, Huando, Yanahollpa y Cachiyayas.

La cartografía base utilizada en este proyecto se refiere a las cartas obtenidas del Instituto Geográfico Nacional (IGN), a escala 1:100000, que corresponden a:

Pampas Hoja 25 - n Huancavelica Hoja 26 - n Conayca Hoja 26 - m

Clima

El tramo en estudio pertenece a la región Jalca ubicada a 3600 msnm

aproximadamente. Dicha región se caracteriza por presentar 02 climas diferenciados con

presencia de constantes lluvias y bajas temperaturas durante los meses de Diciembre a

Marzo y el incremento de la misma durante el día hasta 26,6 °C en promedio.

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TRAMO I: km 00+000 - km 30+000

CAPÍTULO I

ESTUDIO DE SUELOS, CANTERAS Y DISEÑO DEL PAVIMENTO

Febrero 2005

Lima - Perú

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TRAMO I: km 00+000 - km 30+000

CAPÍTULO I

ESTUDIO DE SUELOS, CANTERAS Y DISEÑO DEL PAVIMENTO

I.1 OBJETIVO

El presente estudio de la carretera Izcuchaca - Huancavelica, Tramo I: km 00+000 –

km 30+000, tiene como objetivo principal complementar e implementar el expediente

formulado por la Cia. Consorcio CPA en el año 2004; en este capítulo, en lo que concierne

específicamente a los estudios de suelos, canteras, evaluación de pavimentos y definir en

base a los resultados de la misma, los diseños y actividades necesarios que conlleven a su

rehabilitación y mejoramiento.

I.2 ESTUDIOS DESARROLLADOS PARA LA PAVIMENTACIÓN DE LA CARRETERA

Por disposición de la DGCF, la Oficina de Apoyo Tecnológico ejecuta los estudios de

suelos, canteras, geología, geotecnia, hidrología, drenaje y diseño de pavimento; para la

rehabilitación y mejoramiento de la carretera Izcuchaca-Huancavelica, en el tramo:

Izcuchaca – Palca (km 00+000 – km 30+000). Para tal fin, en lo que corresponde a los

estudios de suelos, canteras y diseño del pavimento se programaron los siguientes trabajos

de campo:

• Inspección de todo el tramo carretero, con la finalidad de definir la estrategia para la

ejecución de los estudios.

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• Perforaciones de estudio para determinar los espesores y características físico-

mecánicas de los suelos de fundación básicamente en el alineamiento existente, de

acuerdo a lo dispuesto por Provias Nacional.

• Ubicar los bancos de materiales que posean cantidades de agregados suficientes para la

obra, así como también las fuentes de agua, efectuándose los estudios y análisis

correspondientes.

• Diseño del nuevo pavimento

Toda la información es complementada con los ensayos de laboratorio efectuados a

los materiales seleccionados para su empleo en la construcción de la carretera, así como a

los suelos de la subrasante, lo que conllevará a la definición óptima de la estructura del

pavimento.

En los ítems, del I.3 al I.5 se detallan los estudios desarrollados con la finalidad de

estructurar el pavimento (I.6).

I.3 ESTUDIO DE SUELOS

Este estudio se desarrolló con la finalidad de determinar las características físico -

mecánicas de los suelos de fundación existentes en el eje proyectado para el tramo I: km

0+000 – km 30+000 de la carretera Izcuchaca – Huancavelica, así como su sectorización

por tipo de material, la que se empleará como parámetro para el dimensionamiento del

pavimento. También se establecerán los sectores donde, por deficiencia en calidad

(capacidad de soporte) se requiera su mejoramiento.

3.1 Metodología

La metodología seguida para la ejecución del estudio, comprendió

básicamente una investigación de campo a lo largo del tramo carretero proyectado

mediante prospecciones de exploración (calicatas), con obtención de muestras

representativas en cantidades suficientes, las que fueron objeto de ensayos de

laboratorio y finalmente con los datos obtenidos en ambas fases se realizaron las

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labores de gabinete, para consignar luego en forma gráfica y escrita los resultados

del estudio.

Las tres etapas ó fases descritas líneas arriba (campo, laboratorio y gabinete)

son secuenciales e igualmente importantes; a continuación se describe el trabajo

desarrollado.

Trabajo de campo

Con el objeto de determinar las características físico-mecánicas de los

materiales del terreno de fundación se llevaron a cabo investigaciones mediante la

ejecución de pozos exploratorios de 0,80 X 0,50 (aproximadamente) a “cielo abierto”

de 1,5 m de profundidad mínima, distanciadas aproximadamente en 200 m uno del

otro, las que se distribuyeron en tres bolillos de tal manera que la información

obtenida sea representativa.

De los materiales encontrados en las calicatas se obtuvieron muestras

disturbadas, las que fueron descritas e identificadas con la ubicación, número de

muestra y profundidad; luego fueron colocadas en bolsas de polietileno para su

traslado al laboratorio. Durante la ejecución de los estudios de campo se llevó el

registro de los espesores de cada una de las capas del sub-suelo, sus características

de gradación y su estado de compacidad.

Las muestras de suelos fueron clasificadas y seleccionadas siguiendo el

procedimiento descrito en ASTM D-2488 “Práctica Recomendada para la Descripción

de Suelos”.

Ensayos de laboratorio

Las muestras representativas fueron sometidas a los siguientes ensayos:

• Análisis granulométrico por tamizado (NTP 400.012)

• Material pasante la malla N°200 (NTP 339.132)

• Límites de consistencia (NTP 339.129)

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Límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad

• Clasificación SUCS (NTP 339.134)

• Clasificación AASHTO (NTP 339.135)

• Contenido de humedad (NTP 339.127)

• Proctor modificado (NTP 339.141)

• California Bearing Ratio (NTP 339.145)

Cuyos resultados se presentan en el Anexo 1.1.3.

Labores de gabinete

En base a la información obtenida durante los trabajos de campo y los

resultados de los ensayos de laboratorio, se efectuó la clasificación de suelos de los

materiales empleándose los sistemas SUCS y AASHTO, con la finalidad de análisis y

correlación de acuerdo a sus características litológicas, lo cual se consigna también

en el perfil estratigráfico (Anexo 1.4).

3.2 Caracterización de las capas granulares

3.2.1 Superficie de rodadura

El tramo I: km 00+000 - km 30+000 de la carretera Izcuchaca - Huancavelica,

presenta dos tipos de superficies de rodadura: entre el km 0+000 al km 25+300 está

compuesto por material granular y desde el km 25+300 al km 30+000 por restos de

un pavimento asfáltico (carpeta en frío).

Subsector km 0+000 – km 25+300. En este subsector se aprecia claramente

que desde el km 0+000 – km 7+400, la superficie está compuesta básicamente por el

suelo natural, y desde km 7+400 hasta km 25+300 se ha verificado la existencia de

material granular cuyo espesor varía entre 15 cm y 40 cm; y donde la sección

(ancho) de la plataforma varía entre 4,0 y 6,0 m

11

Se ha estudiado principalmente esta capa superficial para establecer la

posibilidad de su empleo en la estructura del pavimento a proyectar. Los resultados

obtenidos son los siguientes:

CUADRO N° 1.1

CLASIFICACIÓN DE SUELO INCIDENCIA (%)

A - 1 - a 30,8

A - 1 - b 13,2

A - 2 - 4 42,8

A - 2 - 6 11,6

A - 7 - 5 1,6

CUADRO N° 1.2

TIPO DE SUELO CBR (%) PROGRESIVA

(km) SUCS AASHTO 95% de MDS 100% de MDS

14+300 GM-GC A-2-4(0) 21,3 42,3

20+500 GC A-2-4(0) 15,2 37,3

CUADRO N° 1.3

ENSAYO VALOR PROMEDIO VALOR SUPERIOR VALOR INFERIOR

Límite líquido (%) 27,0 41,0 12,0

Índice plástico (%) 5,5 18,0 N.P.

Equivalente de arena (%) 20,3 39,0 10,0

Caras de Fractura (1 ó más) (%) 64,6 100,0 12,0

Como se aprecia el material no cumple especificaciones técnicas para su

empleo en capas granulares del pavimento. Quizás en el momento de su

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conformación presento mejores características y en la fecha se encuentra

contaminado por efecto de las lluvias y el tráfico circulante.

Subsector km 25+300 – km 30+000. Presenta restos de una superficie de

rodadura asfáltica con un alto grado de deterioro. Se estima entre 15 y 35% el

remanente de esta capa asfáltica, que presenta fisuras, desprendimientos (baches

severos) y deformaciones (principalmente en las zonas de baches donde ha filtrado

el agua).

A continuación se resume el nivel de deterioro encontrado en la plataforma,

así como la incidencia de los restos del pavimento existente.

CUADRO N° 1.4

SUBSECTOR (km – km)

CARP. ASFALT. EXISTENTE (%) DEFORMACIÓN BACHES EN

PLATAFORMA OBSERVACIONES

25+300-26+000 20 Superficial por humedad 70%, severos Carpeta con fisuras piel de cocodrilo, deformación y desprendimiento. M.A.

26+000-27+000 35 Superficial por humedad 60%, severos Carpeta con fisuras piel de cocodrilo, deformaciones y desprendimiento. M.A.

27+000-28+000 25 Superficial por humedad 70%, severos Carpeta con fisuras piel de cocodrilo, deformaciones y desprendimientos. M.A.

28+000-29+000 20 Superficial por humedad 60%, severos Carpeta con fisuras piel de cocodrilo, desprendimientos. M.A.

29+000-30+000 15 Superficial por humedad. 70% severos Carpeta con fisuras piel cocodrilo y desprendimientos. M.A.

Se ha analizado también el material de base de este pavimento,

encontrándose que presenta las siguientes características:

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CUADRO N° 1.5

CLASIFICACIÓN DE SUELO INCIDENCIA (%)

A - 1 - a 30.7

A - 1 - b 16.8

A - 2 - 4 46.6

A - 2 - 6 5.9

CUADRO N° 1.6



26+700 GM A-1-b(0) 43,6 87,3

Como conclusión se establece que debido al alto grado de deterioro de la

carpeta de rodadura, la mayor parte de la base granular se encuentra contaminada.

3.2.2 Descripción de las capas granulares de la subrasante

El trazo del proyecto se desarrolla por la actual plataforma del tramo carretero

Izcuchaca – Palca (km 00+000 – km 30+000). Las perforaciones de exploración de

suelos se efectuaron por tanto en la plataforma vial, por lo que el perfil estratigráfico

elaborado en base al análisis de los suelos refleja básicamente su estructura.

Por los materiales encontrados debajo del nivel de subrasante de la carretera

se puede establecer que se tratan principalmente por materiales granulares como A-

1-a(0), A-1-b(0) y A-2-4(0), y por suelos (naturales) como A-2-6, A-2-7, A-4 y A-6. A

continuación se presenta el resumen de los materiales encontrados (fotos Nº 1 al 18)

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CUADRO N° 1.7 CLASIFICACIÓN DE SUELO INCIDENCIA (%)

A -1 – a 5.8

A - 1 – b 10.8

A - 2 – 4 19.7

A - 2 – 5 0.5

A - 2 – 6 9.2

A - 2 – 7 0.3

A – 4 10.5

A – 6 9.1

A - 7 – 5 4.8

A - 7 – 6 3.4

En varias de las perforaciones efectuadas se observaron gran concentración

de roca (fijas, alteradas y toba volcánica) que representan aproximadamente el 18%;

y además también bolonerías en 8%.

Respecto a la compacidad de las capas que conforman la plataforma, se

verificó que ésta es de regular a buena.

3.3 Capacidad relativa de soporte de los suelos de subrasante

De acuerdo a las características de los suelos descritos anteriormente, se

efectuó la toma selectiva de muestras para ejecutar los ensayos de C.B.R. (NTP

339.145) con la finalidad de establecer su capacidad relativa de soporte,

obteniéndose los siguientes resultados:

CUADRO N° 1.8



00+900 GC A-6(4) 11,3 22,0

05+500 CL A-7-6(11) 3,6 8,3

15



08+100 GM A-2-4(0) 18,1 38,8

11+900 GM A-2-7(0) 12,0 23,0

13+100 CL A-6(11) 3,2 7,4

16+100 MH A-7-5(18) 2,1 5,4

20+100 SM A-2-4(0) 14,1 35,4

25+700 ML A-7-6(12) 5,2 10,1

29+300 MH A-7-5(14) 3,2 6,2

Para la determinación del valor representativo de la capacidad de soporte del

suelo se han utilizado procedimientos estadísticos basados en los criterios

recomendados por la AASHTO y el Instituto del Asfalto (USA); en ambos casos se ha

incidido en la participación real de los suelos encontrados (ver cuadro 1.8). Las

instituciones mencionadas sustentan sus métodos en el empleo de:

AASHTO, con el valor promedio.

El Instituto del Asfalto, con los percentiles, el cual es función del tráfico

proyectado (diseño) en función a lo señalado en el siguiente cuadro.

CUADRO Nº 1.9

NIVEL DE TRÁFICO (EAL)

PERCENTIL DE DISEÑO (%)

104 o menor 60

Entre 104 y 106 75

106 ó más 87,5

Para este caso el nivel de tráfico (EAL8.2) es superior a 105 (ver ítem I.4.), por

lo que el percentil a emplear es 75%.

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CUADRO N° 1.10

SUBSECTOR PROMEDIO (%) PERCENTIL 75 (%)

km 00+000 - km 06+300 17,0 12,5

km 06+300 - km 08+600 51,0 35,0

Km 8+600 - km 21+800 17,0 12,5

Km 21+800 - km 24+600 (rocas) (rocas)

km 24+600 - km 30+000 24,0 21,0

Como se observa existe alta variación entre el valor promedio y el

percentil. Esto es por la variabilidad existente entre los suelos, más aún si se

trata del mejoramiento de una carretera de anchos variables principalmente

en el subsector 0+000 – 25+300 que tiene sectores con anchos de calzada

entre 4,0 a 6,0 m; los cuales para obtener el prisma vial de diseño requerirán

ser ensanchados. Esto involucra el corte y remoción de suelos no registrados

en las prospecciones de estudio (distanciadas cada 200 m).

Con la finalidad de cubrir la variabilidad en los suelos reportados en el perfil

estratigráfico se empleará el criterio de percentiles para definir el CBR de

diseño. Los suelos que tengan capacidad de soporte inferior a éstos, deberán

ser mejorados ó reemplazados.

3.4 Mejoramiento de la subrasante

En la zona del proyecto se han encontrado sectores con suelos de malas

características de capacidad de soporte CBR o inferiores a los del diseño, por lo que

deberán ser mejorados previa a la colocación de la estructura del pavimento. Los

sectores identificados son:

17

CUADRO N° 1.11

SECTOR ESPESOR (cm) LONGITUD (m)

0+200 – 1+000 50.0 800.0

1+600 – 2+400 50.0 800.0

4+000 – 4+400 50.0 400.0

5+800 – 6+200 50.0 400.0

13+000 – 13+200 50.0 200.0

18+800 – 19+000 50.0 200.0

25+800 – 26+000 50.0 200.0

27+000 – 27+040 50.0 40.0

Para tal efecto el material de reemplazo que deberá poseer un CBR igual ó

superior a 30% (al 95% de MDS). Se debe indicar que este espesor es compatible

con los valores de soporte empleados en la metodología de diseño (AASHTO e

Instituto del Asfalto).

I.4 ANÁLISIS DE TRÁFICO

La información de tráfico ha sido proporcionada por la Gerencia de Estudios y

Proyectos del Provias Nacional. Esta información, según refieren, tiene como base al

Estudio de Viabilidad de la carretera Izcuchaca - Huancavelica.

El EAL de diseño para 10 años, cuyo año base es el 2005, es 8,64 x 105 repeticiones

de ejes simples equivalentes a 8,2 tn.

I.5 ESTUDIO DE CANTERAS Y FUENTES DE AGUA

Con la finalidad de ubicar volúmenes disponibles de materiales con características

geotécnicas adecuadas en relación con el uso a dar, la facilidad de acceso, los

procedimientos de explotación y la distancia de transporte, se efectuó el reconocimiento y

estudio de los diversos tipos de materiales existentes en la zona.

La calidad de los materiales para usos diversos, ha sido verificada mediante los

siguientes ensayos estándar (ver Anexo 1.1.1).

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Análisis granulométrico por tamizado (NTP 400.012)

Material pasante la malla N° 200 (NTP 339.132)

Límites de consistencia (NTP 339.129)

Límite líquido, límite plástico, índice de plasticidad

Clasificación SUCS (NTP 339.134)

Clasificación AASHTO (NTP 339.135)

Contenido de humedad (NTP 339.127)

Proctor modificado (NTP 339.141)

Equivalente de arena (NTP 339.146)

Abrasión (NTP 400.020)

California Bearing Ratio (CBR) (NTP 339.145)

Durabilidad con sulfato de magnesio (NTP 400.016)

Porcentaje de caras de fractura (NTP 400.040)

Porcentaje de partículas planas y alargadas (NTP 400.040)

Peso unitario (NTP 400.017)

Gravedad específica y absorción agregado grueso (NTP 400.021)

Gravedad específica y absorción agregado fino (NTP 400.022)

Módulo de fineza en agregado fino (ASTM C-125)

Impurezas orgánicas en agregados finos (NTP 400.024)

Residuos sólidos (sales solubles totales) (NTP 339.071)

Adherencia agregado fino - asfalto (MTC E-220)

Adherencia agregado grueso - asfalto (AASHTO T 182)

Sulfatos expresados como ión SO4= (NTP 339.074)

Cloruros expresados como ión Cl - (NTP 339.076)

Materia orgánica en agua, expresado como oxígeno (NTP 339.072)

Potencial de hidrógeno de agua (pH) (NTP 339.073)

Efecto del agua sobre agregados con recubrimiento bitu-

minoso usando agua en ebullición (ASTM D-3625)

Humedad en mezclas de concreto asfáltico – Lottman (ASTM D-4867)

El análisis de los materiales para la fabricación de mezclas asfálticas ha involucrado

a las canteras “Santa Cecilia - Ex Casma”, “Tapana” y “km 17+500”. Se han empleado

ensayos para verificar la adhesividad del asfalto – árido (stripping AASHTO T –182, Riedel

19

Weber MTC E - 220) y de la mezcla asfáltica (efecto del agua sobre agregado con

recubrimiento bituminoso usando agua en ebullición ASTM D – 3625); sin embargo el

ensayo definitivo ha sido el que predice a largo plazo la suceptibilidad al desprendimiento de

la película de asfalto en mezclas bituminosas (efecto de la humedad en mezclas de concreto

asfáltico – Lottman ASTM D-4867).

Los ensayos Lottman efectuados a las mezclas se efectuaron a los agregados sin

lavar. Inicialmente los resultados de las canteras “km 17+500” y de la mezcla “Tapana” con

la “km 11+600” fueron negativos, procediéndose luego a efectuar la prueba con la cantera

“km 17+500”, adicionándole 0,5% de aditivo tipo amina (en peso del asfalto); si bien el

incremento en los resultados no llegaron a cubrir lo requerido se puede predecir que la

mezcla será aceptable cuando se efectúe el lavado de los materiales. Se debe indicar

también que no se continuó con las pruebas a la cantera Tapana por lo gran cantidad de

finos plásticos que contenía.

Es recomendable también el empleo de la arena de la cantera Santa Cecilia como

parte de la mezcla asfáltica, siendo la arena a emplear en la mezcla asfáltica (de Santa

Cecilia ó km 17+500) definidas en los ensayos Marshall y Lottman.

Finalmente la siguiente es la recomendación de empleo de los materiales en función

a la calidad y disponibilidad de materiales.

Santa Cecilia – Ex Casma …………….. arena para mezcla asfáltica

Km 11+000 ……………… ……………… relleno

Tapana …………………………………… base granular

Km 17+500 ……………………………… mezcla asfáltica

Las recomendaciones correspondientes para su empleo se señalan a continuación:

5.1 Cantera “Santa Cecilia” (Ex – Casma)

Se ubica en la carretera Huancayo - Izcuchaca, a 6,5 km de Izcuchaca en el

lado izquierdo (foto N° 25). Cuenta con un acceso de 100 m

20

Es un depósito de arena de origen aluvial, cuya potencia es superior a los

18000 m3.

La arena puede emplearse para la fabricación de mezcla asfáltica y concreto

de cemento portland, previa eliminación de la cobertura vegetal existente

El rendimiento estimado es de 100%

Para mezcla asfáltica se requiere el empleo de un mejorador de adherencia

tipo Amina (0,5% en peso respecto del asfalto), y si se requiere un rellenador de

vacíos en la mezcla asfáltica se estudiará el empleo de cal hidratada.

Esta arena puede emplearse conjuntamente con la cantera km 17+500 para

la fabricación de mezclas asfálticas.

La extracción del material se puede efectuar durante todo el año, para lo cual

requieren del uso de cargador frontal.

Es de Propiedad privada.

5.2 Cantera km 11+000

Se ubica a la altura del km 11+000 de la carretera Izcuchaca - Huancavelica,

en el lado derecho, cuyo acceso es directo (foto N° 26)

Se trata de una formación de roca meteorizada cuya potencia es superior a

los 12 000 m3.

Por las características físico-mecánicas de los materiales, este puede

utilizarse como material de relleno. La extracción del material se puede efectuar

durante todo el año, para lo cual requieren del uso de tractor oruga y eventualmente

de explosivos.

El rendimiento estimado para relleno es de 90%.

21

La selección de los materiales se efectuará mediante zaranda verificando el

cumplimiento de requerimientos granulométricos.

Propiedad libre explotación

5.3 Cantera Tapana km 11+600

Se ubica a la altura del km 11+600 de la carretera Izcuchaca – Huancavelica

en el lado derecho, cuyo acceso es de 3,7 km (fotos N° 27)

Es un depósito de origen aluvial, cuya potencia es superior a los 100 000 m3.

Presentan también alto porcentaje de agregados de forma redondeada a

subangular. Los agregados entre 2” y 4” representan aproximadamente el 30 % del

total de los materiales.

El rendimiento estimado para base granular es de 90%.

Para el empleo en base granular se requiere el chancado, zarandeo y lavado

de los materiales.


requieren del uso de chancadora y equipo convencional.

Es de Propiedad privada.

5.4 Cantera km 17+500

Se ubica en la carretera Izcuchaca - Huancavelica, km 17+500 en el lado

derecho de la vía (talud superior), cuyo acceso es de 100 m (fotos N° 28).

Es un depósito de origen aluvial, cuya potencia es superior a los 25 000 m3.

Los agregados son de forma subredondeada con presencia de agregados

mayores a 2” que representan aproximadamente el 25 % del total de los materiales;

el resto son de menor tamaño.

22

El rendimiento estimado para mezcla asfáltica es de 95%.

Para mezcla asfáltica se requiere el zarandeo y lavado de los materiales, así

como el chancado de los agregados gruesos. Se empleará un mejorador de

adherencia tipo Amina (0,5% en peso respecto del asfalto), y si se requiere un

rellenador de vacíos se estudiará el uso de cal hidratada.


requiere el uso de equipo convencional.

Propiedad libre explotación

5.5 Fuentes de Agua

En los sectores abajo señalados durante la etapa de estudio se verificó flujos

de agua, muestreándose las fuentes para los trabajos de conformación de las capas

granulares y para concreto de cemento portland (fotos Nº 29 y 30); las muestras de

agua fueron tomadas y analizadas en laboratorio concluyéndose que presentan

características apropiadas cumpliendo las correspondientes Especificaciones

Técnicas (ver Anexo 1.3).

- Puente Tambillo, km 02+200

- Yanacollpa, km 17+600

I.6 DISEÑO DEL PAVIMENTO

El pavimento se diseñará empleando la metodología AASHTO, y se efectuará un

diseño comparativo con el método del Instituto del Asfalto.

Se han analizado diferentes tipos de alternativas para la estructuración del

pavimento acorde al tipo de carretera, tráfico que circulará por el periodo de diseño y altura

sobre la que se desarrolla la carretera. Es así que se ha descartado el diseño de pavimentos

inicialmente propuesto en el Expediente del Consorcio CPA. Además de lo señalado y por

disposición de materiales en la zona, el pavimento se encamina a tener como superficie de

rodadura una carpeta con mezcla asfáltica en caliente.

23

En tal sentido se efectuará el diseño con una carpeta asfáltica en caliente y para un

periodo de diseño de 10 años.

6.1 Método AASHTO

6.1.1 Descripción del método

La metodología AASHTO es reconocida a nivel mundial porque se basa en

valiosa información experimental. Consiste en determinar un Número Estructural

(SN) requerido por el pavimento a fin de soportar el volumen de tránsito

satisfactoriamente durante su periodo de diseño. El procedimiento desarrollado es

conforme con lo expuesto en Guide for Design of Pavement Structures 1993.

Dentro de las consideraciones del método están:

El Módulo Resilente (Mr) es una medida de las propiedades elásticas de los

suelos. Debido a la escasa información local, este parámetro se ha

establecido en función a algoritmos reconocidos internacionalmente; así

también, tampoco se emplean por el mismo motivo el valor de daño relativo

(uf) para el cálculo del Mr estacional.

El Coeficiente de Drenaje toma en cuenta los efectos de los distintos niveles

de eficiencia del drenaje en el comportamiento de la estructura. Este

parámetro modifica el coeficiente estructural de las capas granulares

(subbase y base granular).

El método incorpora la estadística para establecer un cierto grado de

confiabilidad en el proceso de diseño, este aspecto es incorporado mediante

el Nivel de Confiabilidad (R) que a su vez se basa en la distribución normal

y es función de la desviación estándar (S0) que se ubica entre 0,4 y 0,5.

El Índice de Serviciabilidad Final deberá ser tal que culminado el periodo de

diseño, la vía (superficie de rodadura) ofrezca una adecuada serviciabilidad.

De acuerdo a los términos de referencia este valor para el proyecto en

desarrollo es 2.

24

Los números estructurales SN, del pavimento son obtenidos mediante la

siguiente expresión:

07.8log32.2

)1(109440.0

)5.12.4

log(20.0)1log(36.9log

19.5

18 −+

++

−∆

+−++= ROR M

SN

PSI

SNSZW

La expresión que relaciona el número estructural con los espesores de capa

es:

SN = a1 D1 + a2 m1 D2 + a3 m2 D3

Donde:

a1, a2, a3 = Coeficientes estructurales o de capa

m1, m2 = Coeficientes de drenaje

D1, D2, D3 = Espesores de capa

6.1.2 Parámetros de diseño

Módulo resilente (Mr)

En el ítem I.3 (3.3) “capacidad relativa de soporte de los suelos”, se definió los

CBRs de diseño.

Para acceder a los Abacos de diseño AASHTO 93, es necesario que este

valor de CBR sea traducido a Módulo Resilente (Mr). Dada la escasa información

existente en el medio sobre estos ensayos, se ha empleado una correlación entre

CBRs versus Módulos de Resilencia (para suelos granulares) publicada en FHWA-

PL-98-029:

Mr = 4326 x ln CBR + 241

25

CUADRO N° 1.12

SUBSECTOR CBR

(%)

MÓDULO RESILENTE

(psi)

km 00+000 – km 06+300 12,5 11167

km 06+300 – km 08+500 (roca) -

km 08+500 – km 21+300 12,5 11167

km 21+300 – km 24+500 (roca) -

km 24+500 – km 30+000 21,0 13412

Tráfico

Del ítem I.4 (4.1) tráfico de diseño, se tiene que el número de repeticiones de

carga equivalentes a ejes simples de 8,2 tn es:

CUADRO Nº 1.13

TRAMO EAL 10 años

km 00+000 - km 30+000 8,64 x 105

Confiabilidad

Para su determinación se empleó la Guía AASHTO (2.1.2 Traffic, Part II:

Pavement Design Procedures for New Construction or Reconstruction). Se está

tomando una confiabilidad de 95%, con el cual se obtiene una Desviación Estándar

Normal (ZR):

ZR = -1,645

Desviación estándar total

S0 = 0,45

26

Serviciabilidad

Serviciabilidad Inicial (pi) = 4,2

Serviciabilidad Final (pt) = 2,0

Coeficientes estructurales de capas

Basados en lo señalado en el ítem 2.3.5 Layer coefficients, de la Guía de

Diseño AASHTO, los coeficientes estructurales de capa considerados para el cálculo

del número estructural de diseño son los siguientes:

a1 = 0,44/pulg ó 0,17/cm (para carpeta asfáltica en caliente)

a2 = 0,138/pulg ó 0,054/cm (para agregados de CBR = 80%)

Coeficientes de drenaje

Para la elección del Coeficiente de Drenaje se han tomado las siguientes

consideraciones:

Exposición en agua de las estructuras de drenaje, entre 5 y 25%.

La condición de los sistemas de drenaje es Regular.

Por lo tanto se asume un Coeficiente de Drenaje mi = 1,0.

6.1.3 Diseño del pavimento para 10 años

La estructura propuesta de pavimento ha sido diseñada para soportar el peso

de la densidad de tráfico proyectado para su ciclo de vida, altas presiones y

esfuerzos, de tal manera que éstas lleguen satisfactoriamente a los suelos bajo el

nivel de subrasante. Se consideró las características geotécnicas de los materiales

que conformarán la estructura vial, con propiedades de resistencia y valor de soporte

creciente a partir del suelo de fundación y de allí a la superficie del pavimento.

27

Aplicando el Nomograma y/o la Ecuación de Diseño se obtiene para los

parámetros indicados y un periodo de diseño de 10 años (las hojas de cálculo se

presentan en el Anexo 1.2), lo siguiente:

CUADRO N° 1.14

SUBSECTOR Numero Estructural (SN)

km 00+000 – km 06+300 3,00

km 06+300 – km 08+500 2,36

km 08+500 – km 21+300 3,00

km 21+300 – km 24+500 2,09

km 24+500 – km 30+000 2,81

Por lo tanto, tomando en cuenta las consideraciones mencionadas, se obtiene

para el proyecto con un periodo de servicio de 10 años, la siguiente estructura:

CUADRO N° 1.15

ESTRUCTURA

ESTRUCTURA Carpeta

Asfáltica (cm)

Base

Granular (cm)

SN

(real)

km 00+000 – km 06+300 7,5 32,0 3,00

Km 06+300 – km 08+500 7,5 20,0 2,36

Km 8+500 – km 21+300 7,5 32,0 3,00

Km 21+300 – km 24+500 7,5 15,0 2,09

Km 24+500 – km 30+000 7,5 30,0 2,81

28

Como se indica en el ítem 3.2.1. se efectuaron los estudios correspondientes para

establecer la posibilidad de empleo de la actual capa superficial (km 0+000 – km 25+300) y

base granular (km 25+300 – Km 30+000), sin embargo los análisis indican que los

materiales no reúnen las condiciones requeridas por las especificaciones técnicas,

principalmente por que han sido expuestas a las condiciones ambientales (sol, lluvia, etc.) y

a los efectos abrasivos del tráfico.

6.2 Método del Instituto del Asfalto

6.2.1 Descripción del método

Se efectuó un diseño comparativo de pavimento empleando el Método del

Instituto del Asfalto, el cual se desarrolla conforme a lo establecido en el Manual

Series N°1 (MS-1) “Thickness Design, Asphalt Pavements for Highways & Streets”

de febrero 1991.

El método se basa en dos condiciones específicas de esfuerzo-deformación.

La primera es la aplicación de una carga sobre la superficie del pavimento, la

estructura distribuye los esfuerzos reduciendo su intensidad a medida que profundiza

en la subrasante. La segunda condición, es cuando la carga aplicada al pavimento,

deflecta la estructura, causando esfuerzos y deformaciones de tensión y compresión

en la capa asfáltica.

El Instituto del Asfalto ha desarrollado un programa de cómputo denominado

DAMA y una serie de nomogramas para facilitar el diseño. Este considera

temperaturas de 7 °C, 15,5 °C y 24 °C.

6.2.2 Parámetros de diseño

El método requiere de la siguiente información para efectuar el diseño

(tomados del ítem 6.1.2).

29

Módulo resilente

CUADRO Nº 1.16

SUBSECTOR CBR MÓDULO RESILENTE

km 00+000 – km 06+300 12,5 11167 psi ó 77 MPa

km 06+300 – km 08+500 Roca -

Km 8+500 – km 21+300 12,5 11167 psi ó 77 MPa

Km 21+300 – km 24+500 Roca -

km 24+500 – km 30+000 21,0 13412 psi ó 92.5 MPa

Tráfico

De la información proporcionada se tiene:

CUADRO Nº 1.17

SUBSECTOR 10 AÑOS

Km 00+000 - km 30+000 8,64 x 105

6.2.3 Diseño del pavimento

El diseño se efectuó para 10 años, empleando el Abaco Design Chart A-6,

cuyas condiciones son el empleo de una Base Granular de 30 cm de espesor y una

temperatura de 7 °C.

CUADRO N° 1.18

ESTRUCTURA Carpeta

Asfáltica (cm)

Base

Granular (cm)

km 00+000 – km 06+300 12,5 30,0

30

ESTRUCTURA Carpeta

Asfáltica (cm)

Base

Granular (cm)

Km 06+300 – km 08+500 12,5 30,0

Km 8+500 – km 21+300 12,5 30,0

Km 21+300 – km 24+500 12,5 30,0

Km 24+500 – km 30+000 12,5 30,0

Los espesores de la carpeta han sido considerados de la curva más próxima

al punto obtenido entre la intersección entre el EAL y el Mr.

I.7 ACTIVIDADES PARA LA REHABILITACIÓN Y MEJORAMIENTO DEL PAVIMENTO

Los trabajos que se ejecutarán para la rehabilitación y mejoramiento del pavimento

de la carretera Izcuchaca – Huancavelica, Tramo I: km 0+000 – km 30+000, son:

Eliminación de la superficie de rodadura asfáltica existente en el sector km 25+300 – km

30+000 que se señala en el ítem 3.2.1 (cuadro Nº 14)

Mejoramiento de subrasante en los sectores y profundidades indicados en el ítem 3.4

(Cuadro N° 1.11)

Perfilado y compactado de subrasante.

Colocación de Base Granular de acuerdo a los espesores indicados en el ítem 6.1.3

(cuadro Nº 1.14)

Imprimación de la base granular y berma (se empleará asfalto líquido MC-30).

Colocación de la carpeta asfáltica de 7.5 cm como superficie de rodadura, se

recomienda que la berma también cuente con la protección de la carpeta asfáltica.

Construcción de las estructuras de drenaje señaladas en el capítulo III

Aplicación de las recomendaciones señaladas en el capítulo II (estudio geotécnico).

31

I.8 CONCLUSIONES

El tramo I: km 0+000 – km 30+000 de la carretera Izcuchaca - Huancavelica presenta

como superficies de rodadura:

Subsector km 0+000 – km 25+300. Este subsector desde el km 0+000 al km 7+400,

tiene la superficie compuesta básicamente por el suelo natural; y desde km 7+400 hasta

km 25+300 presenta material granular cuyo espesor varía entre 15 cm y 40 cm. El ancho

de algunos sectores de la plataforma es variable entre 4,0 y 6,0 m

Subsector km 25+300 – km 30+000. Presenta restos de una superficie de rodadura

asfáltica deteriorada. Se estima entre 25 y 35% el remanente de esta capa, que presenta

fisuras, desprendimientos (baches severos) y deformaciones. Esta capa asfáltica debe

ser retirada.

De acuerdo a las características físico-mecánicas de los suelos de la subrasante y su

valor relativo de soporte CBR, el tramo en estudio se ha sectorizado en:

CUADRO 1.19

SUBSECTOR CBR

(95% de la MDS)

km 00+000 – km 06+300 12,5%

km 06+300 – km 08+500 (roca)

Km 8+500 – km 21+300 12,5%

Km 21+300 – km 24+500 (roca)

km 24+500 – km 30+000 21,0%

De ser requeridos ensanches para obtener el prisma vial diseñado, la conformación del

terraplén se efectuará por capas de acuerdo a las Especificaciones Técnicas y con

materiales que presenten valores de soporte (CBR) de 30 al 95% de la máxima

densidad seca

32

Las prospecciones de estudio (hasta 1,50 m) han permitido verificar la existencia de una

plataforma compuesta principalmente por materiales granulares como A-1-a(0), A-1-b(0)

y A-2-4(0) en aproximadamente 36%; los suelos naturales como A-2-5, A-2-6 y A-2-7

representan el 10%, los suelos A-4, A-6 en 20% y A-7-5, A-7-6 en 8% En estas

perforaciones se han encontrado roca (fijas alteradas y toba volcánica) en un 18% y

erráticamente bolonerías en 8%. En el sector km 7+400 al km 25+300 se ha encontrado

una capa granular superficial que no cumple especificaciones técnicas (índice plástico,

equivalente de arena, caras de fractura, etc) debido a su exposición al medio ambiente

(lluvias, sol) y efecto abrasivo del tráfico.

También se han ubicado sectores en la subrasante con arcillas y limos cuyos CBRs son

inferiores a los de diseño y que deben mejorarse previo a la colocación del pavimento,

con material cuyo CBR sea igual o superior a 30% (al 95% de MDS). En el ítem 3.4

(cuadro Nº 1.11) se indica los sectores y profundidades a mejorar.

Respecto a las fuentes de materiales para mezclas asfálticas, las dos canteras con

mejores posibilidades de empleo: “Santa Cecilia – Ex Casma” (arena) y “km 17+500”

adicionándole 0,5% de aditivo mejorador de adherencia tipo amina, presentan una

aceptable suceptibilidad al desprendimiento de la película de asfalto en mezclas

bituminosas, al ser probadas mediante el ensayo “Efecto de la Humedad en Mezclas de

Concreto Asfáltico – Lottman” (ASTM D 4867).

Si bien los agregados de la cantera km 17+500 son de forma redondeada a

subredondeada, se está recomendando el empleo de chancadora, zarandeo y lavado,

con la finalidad de fabricar agregados limpios con tamaños necesarios para cubrir

cualquier deficiencia en la gradación.

Para base granular se ha definido la cantera Tapana km 11+600 L.D, cuyo acceso es de

3.7 km. Es un depósito de origen aluvial, cuya potencia es superior a los 100 000 m3.

Así también para el empleo del material se requiere su chancado, zarandeo y lavado.

Se ha tomado para el diseño del pavimento el Tráfico proporcionado por la Gerencia de

Estudios y Proyectos del Provias Nacional, como se detalla en el ítem I.4.

33

Bajo las consideraciones antes señaladas se han empleado las metodologías AASHTO

e Instituto del Asfalto, las mismas que contemplan las condiciones del proyecto (tráfico,

suelos, topografía, disposición de materiales en la zona). Como resultado del análisis se

proyectan las siguientes estructuras de pavimento:

CUADRO N° 1.20

ESTRUCTURA

SUB SECTOR Carpeta

Asfáltica (cm)

Base

Granular (cm)

km 00+000 – km 06+300 7,5 32,0

Km 06+300 – km 08+500 7,5 20,0

Km 8+500 – km 21+300 7,5 32,0

Km 21+300 – km 24+500 7,5 15,0

Km 24+500 – km 30+000 7,5 30,0

El diseño contempla la eliminación total de la carpeta de rodadura existente en el sector

km 25+300 – km 30+000, sección superior de la base granular (parte imprimada de 5 cm

de espesor aproximadamente), los sectores de base contaminadas (por influencias de

baches)

Es necesario el mejoramiento de la subrasante en los sectores cuyos suelos presentan

deficientes características físico-mecánicas.

La estructura señalada en el cuadro Nº 1.20 se colocará en su integridad, ya que se ha

descartado el aporte de la superficie granular existente.

Se deberá emplear Cemento Asfáltico tipo PEN 120/150, para la fabricación de mezcla

asfáltica, y asfalto líquido MC-30 para imprimación.

34

I.9 RECOMENDACIONES

Se recomienda la implementación de los sistemas de drenajes y recomendaciones

geotécnicas señaladas en los capítulos III y II.

La calidad y permanencia de la obra depende de que se efectúe el control oportuno

de los parámetros de calidad de los materiales antes y durante su ejecución (proceso

constructivo). Por lo tanto deberán aplicar en forma estricta y adecuada las técnicas

y procedimientos utilizados en ingeniería para la explotación de Bancos de

Materiales (Canteras), fundamentalmente teniendo siempre en consideración la

variabilidad horizontal y vertical que presentan las mismas por su origen.

El proyecto se ejecutará bajo las Especificaciones Técnicas adjuntas, las cuales se

complementan con las Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de

Carreteras del MTC.

Se observa buenas condiciones para la ubicación de las plantas chancadora y de

fabricación de mezcla asfáltica, a la altura de la cantera km 17+500 lado derecho e

izquierdo de la carretera.

Se deben considerar los aspectos de medioambiente, como la remodelación del

terreno de las canteras explotadas (para recuperar sus características originales) ó la

ubicación de lugares específicos para la colocación de desechos, entre otros.

Carretera_Izcuchaca-Huancavelica_MD Suelos y Pav

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