PAVIMENTOS Ing. ALEJANDRO QUISPE CHAMBIUNIVERSIDAD ANDINA NESTOR CACERES VELASQUEZ CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

Definicin y Clasificacin de pavimentosCapas de pavimentos y sus FuncionesDiseo de pavimentosMtodos de diseo de pavimentosParmetros empricos de diseo: Mtodo C.B.R.Parmetros analticos de diseo: Mdulo Resiliente Mtodos y Pruebas de campo

Estructura conformada por un conjunto de capas (multicapa) destinada a:

resistir y distribuir a la capa de fundacin (subrasante) los esfuerzos verticales producidos por el trfico

mejorar las condiciones de rodamiento en cuanto a comodidad y seguridad

resistir los esfuerzos horizontales haciendo ms durable la superficie de rodamiento

Estructura en faja: ancho y alto finito; largo infinitoClima es factor preponderanteVida til pequea (10 a 40 aos)Estudios geotcnicos: cateos de subrasante de pequea profundidad (hasta 1,5 m); muestras remoldeadas para caracterizacin de poder soporte; prospecciones de canteras en grandes reas y de pequea profundidadCargas de trnsito: efecto destructivo variable; previsin de evolucin aproximada vida til aproximada; intemperizacin y degradacin de capas superiores afectan integridad de pavimentoFalla de pavimento: Fatiga causada por efecto de carga de trnsito (cargas cclicas) e intemperismo

Pavimentos AutoviariosCarga de trnsito variable (camiones, mnibus, autos, etc.)Intensidad de trnsito variable: Alto volumen de trnsito; Bajo volumen de trnsito (pavimentos econmicos)Pavimentos AeroportuariosCarga de trnsito pesadaCargas dinmicas (impacto) en zona de aterrizajeIntensidad de transito menor que pavimentos de alto volumen de trnsitoPavimentos FerroviariosCarga de trnsito altaTransmisin de carga a travs de durmientes (carga lineal tranversal)Estructura diferente a pavimentos autoviarios y aeroportuarios

Estructura multicapaRevestimientoBaseSub-baseSubrasanteRevestimiento: Recibe directamente cargas; debe resistir esfuerzos horizontales; debe proporcionar superficie de rodamiento adecuadaBase: Debe resistir y distribuir esfuerzos verticalesSub-base: Complementaria de Base (econmica) o correctiva de Subrasante (transicin)

Clasificacin de Pavimentos Autoviarios y Aeroportuarios segn tipo de revestimientoFlexibles: revestimiento bituminoso (mezcla asfltica)Rgidos: revestimiento de hormign (losas)Revestimiento bituminosoBaseSub-baseSubrasantePavimento FlexiblePavimento RgidoCarpeta de hormignSub-baseSubrasante

Caractersticas de suelos, materiales y mezclasPavimentos Flexibles: definen comportamiento y espesores de capasPavimentos Rgidos: definen comportamientoDeterminacin de caractersticas: principios y criterios de Mecnica de SuelosClimaLluvia: subrasantes; bases y sub-basesNivel Fretico: subrasantesTemperatura: revestimientosHeladas: subrasante y baseTrnsitoMagnitud de cargasPresiones de inflado de neumticosImprontaFrecuencia y nmero de repeticiones de las cargasVelocidades de aplicacin de cargas

EmpricosBasados en parmetros obtenidos de ensayos de laboratorio y campoPoder Soporte de California (CBR)Coeficiente de balastoAnalticosBasados en Teora de Elasticidad (Boussinesq, Burminster)Mdulo Elstico de YoungMdulo Resiliente

Porter (Universidad de Berkeley, 1929): Ensayo de medida de la capacidad soporte, denominado Valor Soporte de California (California Bearing Ratio, CBR)Ensayo que mideResistencia a la penetracin por punzonado de un pistn (deformacin) en una muestra de suelo colocada en un molde rgidoExpansin

Relacin entre la tensin necesaria para penetrar un material 0,25 cm (0,1 in) y la tensin para tener la misma penetracin en un material arbitrario, adoptado como patrnMaterial Patrn: Piedra triturada obtenida en California del que se conoce las tensiones necesarias para producir penetraciones prestablecidas

Sea un material definido que queremos usar como capa de pavimento (base, sub-base), tenemos su curva de compactacin, y sus parmetros esenciales: wpt y PUSM,

cmo establecemos que ste material es o no apto para transmitir las cargas adecuadamente a las capas inferiores?

cmo sabemos si es igual, mejor o peor para ello que otros materiales alternativos que tengamos a disposicin?

El ensayo Proctor es al respecto cualitativo y simplemente nos permite estimar las mejores condiciones de colocacin del material que disponemos (no da indicios sobre su aptitud para transmitir adecuadamente las cargas ni sobre su comportamiento relativo a otros materiales)

Como respuesta surge el ensayo de CBR

Para un pavimento se requiere saber su capacidad de soportar cargas de tipo concentrado (cargas de trfico) las cargas de tipo permanente (peso propio, etc.) no son relevantes.El ensayo CBR intenta reproducir la penetracin por punzonado de una carga concentrada en la capa de pavimento en cuestin.Para continuar con la lnea filosfica de la compactacin, en este caso se toman muchos elementos comunes con el ensayo Proctor Modificado: se toma como referencia el material compactado a la w pt y con el PUSM, la probeta es confeccionada en el mismo molde de 6 de dimetro.

Se busca reproducir las condiciones ms duras que va a enfrentar el material en obra luego de puesto en sitio: - material saturado, para ello se deja en agua (se sumerge el molde en una cuva con agua por lo menos 48 horas) o hasta que no se constate ms expansin.La expansin es el primer parmetro de control del ensayo CBR. Se controla en el proceso de saturacin la variacin de altura del ejemplar a medida que va absorbiendo agua. La expansin se controla en porcentaje e = DH/Ho x 100El porcentaje admisible vara segn lo exigido en Pliegos o normas, pero generalmente no se admiten valores mayores de 3% o 5 %.

Una vez terminado el proceso de saturacin y control de expansin se procede al ensayo de punzonado CBR.

Se apoya ligeramente el pistn de carga sobre la superficie de la muestra colocndose unos anillos de sobrepeso que representan el peso del espesor de pavimento superior a la capa considerada. En realidad estos anillos tambin se colocan durante el proceso de saturacin.

El ensayo consiste pues en construir la curva tensin - deformacin para el material considerado en las condiciones ptimas de compactacin y sometido a las peores condiciones externas (saturacin)

Como uno de los objetivos es la comparacin de nuestro material con otros, se adopt para el ensayo un material patrn que es la piedra partida de California, considerada de excelente calidad y de la cual se disponen en tabla de los valores de tensin para diferentes valores de penetracin.

El CBR de un suelo, o CBR 100% es la razn entre la tensin del mismo para una determinada penetracin y la tensin del cuadro del material patrn para la misma penetracin.Sean d1, d2, d3 distintos valores de penetracin,CBR(d1) = ssuelo(d1)/spatrn(d1) x 100CBR(d2) = ssuelo(d2)/spatrn(d2) x 100CBR(d3) = ssuelo(d3)/spatrn(d3) x 100

PenetracinTensin aplicadacmpulgadaskg/cm2lb/pulg20,250,170,310000,500,2105,515000,750,3133,619001,000,4161,723001,250,51822600

Si las grficas de nuestro suelo y el patrn fueran perfectamente homotticas, resultaraCBR(d1) = CBR(d2) = CBR(d2)

Esto no sucede generalmente por lo que algunas normas consideran por ejemplo 3 penetraciones de referencia y el valor adoptado de CBR es el promedio, otras se quedan con un solo valor tomado arbitrariamente, por ej. d = 0.1

Qu pasa en el terreno?

Las condiciones de humedad no siempre se pueden obtener fcilmente, pero tampoco podemos garantizar que la energa de compactacin (que es directamente funcin del nmero de pasadas de mquina) sea efectivamente la misma en todos los puntos del terrapln.

Para analizar la sensibilidad del suelo a la capacidad de compactar con la energa de compactacin considerada se realizan ensayos con dos energas de compactacin adicionales, inferiores a las del Proctor Modificado. Para ello se compactan dos moldes con 5 capas de 15 y 25 golpes respectivamente

3 muestras compactadas en molde de 6 in (Ensayo Proctor) a humedad ptima de Ensayo Proctor Modificado y con:12 golpes por capa25 golpes por capa56 golpes por capa (PUSM)Muestras se sumergen en agua 4 das con sobrecargas (saturacin de muestras)Se mide expansin en 4 dasProbetas saturadas se cargan por punzonado en prensaVstago de 3 in2 (19,4 cm2)Velocidad de penetracin 0,05 in/min (0,127 cm/min)

PUSM

De esta forma, se puede obtener un nuevo grfico, donde para la wpt del Proctor Modificado se tienen tres densidades de compactacin distintas (asociadas con las tres energas de compactacin diferentes) y distintos valores de CBR

Ejemploterreno CBR = 5 %carga por rueda 10000 lbdel grfico => h = 42 cm

Pliego exige para sub-base CBR > 15 %, para base CBR > 40 %mat. de prstamo para sub-base CBR = 18 %mat. para base CBR = 60 %del cuadro surge que, por encima del mat de sub-base, debe cubrirse con 20 cm de material de mejor calidad, por lo que debemos poner hasta 42 - 20 = 22 cm de material de sub-base.Finalmente, para el mat. de base el cuadro da que debe ser recubierto por un espesor de 9 cm de pavimento. Por lo tanto el material de base tendr un espesor de 20 - 11 = 9 cm

Mtodo de compactacin en ensayo Mtodo de compactacin de campo (estructuras distintas)

Mtodo de aplicacin de carga de ensayo (esttico) Aplicacin de carga real al pavimento (trnsito) respuestas mecnicas diferentes

CBR parmetro de diseo de pavimento rpido y grosero

CBR es un nmero que carece de siginificado fsicoPorter (1950): CBR no es una medida directa del valor soporte de los materialesTurnbull (1950): CBR no es ms que un simple ensayo de corte, siendo til como indicador de la resistencia al corte de los suelosSimposio de la ASCE (1950): CBR debe ser considerado como un ensayo indicativo de resistencia al corte... principios de diseo de pavimentos estn basados en prevencin de la falla al corte de las subrasantes de los pavimentos

Boussinesq Mdulo Elstico de Young (E)Burmister (1943, 1945)

Relacin s - e de suelos y materiales granulares: no lineal

En pavimentos carga de trnsitoNiveles bajos de deformacin de suelos y materialesMdulos elsticos = f (nivel de deformacin)Menor nivel de deformacin Mayor rigidez de material

Mdulo de Young no representa comportamiento real materiales de pavimento

Hveem (1955): Comportamiento resiliente (elstico) de pavimentosResiliencia ElsticaResiliencia = energa potencial de deformacinFatiga de carpeta asfltica debida a deformacin resiliente de capas subyacentes, sobretodo subrasante

Cargas de trnsito Ensayos de carga repetida (cclicos)Fuerza de compresin desde cero hasta mximo y vuelta a ceroAplicacin de misma fuerza en intervalos pequeos de tiempo (fraccin de segundos)

Reproduccin de condiciones realesAmplitud = carga de vehculo (rueda)Tiempo de pulso = velocidad de vehculoFrecuencia de aplicacin = volumen de trnsito

Ensayo Triaxial cclico (Seed, 1955): suelos y materiales granularesEnsayo de Compresin diametral cclico (Schmidt, 1972): mezclas asflticasEnsayo de flexin - traccin de viguetas a cargas repetidas (Ceratti, 1991): materiales con agregados de hasta 2 cm de dimetro

Desarrollado por Seed y colaboradores (Berkeley, California; 1955) al estudiar deformabilidad de subrasantes de pista experimental de AASHTO (Illinois)Similar a Triaxial convencional:Tensin de cmara (s3): agua o aireTensin desviadora (q): cclicoEstado de tensiones principalesResultados en tensiones totales

q: Tensin desviadora (s1 - s3) er: Deformacin resiliente axial (vertical) Dh: Deformacin vertical mxima h0: Altura inicial de la muestra ep: Deformacin permanente

q = s1 - s3e = Dh/heper ep es pequeo si estamos en perodo elsticoq es la carga mxima aplicada n ciclos, se deja de lado el concepto de coeficiente de seguridad

Basados en parmetros empricosCBR in situ (ASTM D 4429)Prueba de Carga de PlacaPenetrmetro Dinmico de Cono (DCP)Basados en parmetros analticos (deflexiones)Viga BenkelmanDeflectgrafo de LacroixDynafletDeflectmetro de Cada de Pesa (FWD)

Mdulo de reaccin de subrasante (k)

s: tensin que transmite placa al sueloD: deformacin fijada previamente

Penetrmetro Dinmico de Cono (Dynamic Cone Penetrometer) DCPEspesor de capas, densidad, resistencia a la penetracinPesa de 8 kgCada libre de 575 mmIndice de Penatracin (IP)

D: Penetracin del conoN: Nmero de golpes

Mango de agarre

Masa de 8 Kg

Cono

Regla de medida

Tope

1935 mm

575 mm

3 mm

20 mm

Punta endurecida

a 60

Deflexin por Recuperacin elsticaCamin de 8,2 ton (80 kN) en eje trasero y 80 psi (550 kPa) de inflado de ruedas3 lecturas

Deflexin mxima por carga transmitida por dos pares de ruedasMedidas automticas por palpadores colocados en trineos Medidas casi continuas

Deflexin por carga de impacto producida por pesos que caen sobre placa apoyada en pavimentoMedidas automticas por sensores de velocidad Simula carga de trnsito a velocidad de 70 80 km/h