Apuntes de Pavimentos Flexibles

Ingeniería Civil Especificaciones, normas y métodos para diseño de pavimentos flexibles

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CAPITULO I ..................................................................................................................................................... 3

INTRODUCCIÓN. ................................................................................................................................................................ 3

1. HISTORIA DE LAS VÍAS TERRESTRES. ............................................................................................................ 4 2. LAS VÍAS TERRESTRES EN MÉXICO. ............................................................................................................... 4 3. DEFINICIÓN DE PAVIMENTO. ........................................................................................................................... 4 4. CLASIFICACIÓN DE LOS PAVIMENTOS Y ESTRUCTURACIÓN.................................................................. 5 5. DEFINICIÓN DE OTROS TÉRMINOS. ................................................................................................................ 8 6. FUNCIONES DE LAS DIFERENTES CAPAS DE UN PAVIMENTO. ................................................................ 8 7. PAVIMENTO RÍGIDO Y FUNCIONES DE LAS DIFERENTES CAPAS. .......................................................... 9

CAPITULO II ................................................................................................................................................. 11

FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS.............................................................. 11

1. INTRODUCCIÓN. ................................................................................................................................................ 12 2. EFECTOS DEL TRÁNSITO. ................................................................................................................................ 20

2.1. MÉTODO DE HVEEM O MÉTODO DEL DEPARTAMENTO DE CARRETERAS DE CALIFORNIA PARA EL ANÁLISIS DEL TRÁNSITO (PAVIMENTOS FLEXIBLES). ................................................................. 21 2.2. CONVERSIÓN DEL TRANSITO MEZCLADO A CARGAS EQUIVALENTES DE 8.2 TON. POR EJE SENCILLO. ........................................................................................................................................................... 28 2.3. ANÁLISIS DEL TRÁNSITO ACUMULADO EN EJES SENCILLOS DE 8.2 TON. POR EL MÉTODO DE LA UNAM ( INSTITUTO DE INGENIERÍA). ....................................................................................................... 31

3. INFLUENCIA DE LOS MATERIALES. .............................................................................................................. 44 3.1. PRUEBAS QUE SE REALIZAN EN LOS MATERIALES QUE SE VAN A UTILIZAR EN UN PAVIMENTO. ....................................................................................................................................................... 45

4. EFECTOS DEL AMBIENTE. ............................................................................................................................... 69 5. FACTORES ECONÓMICOS. ............................................................................................................................... 72

CAPITULO III .............................................................................................................................................. 75

CONSIDERACIONES TEÓRICAS RELATIVAS A LA DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS Y DE FORMACIONES EN LOS PAVIMENTOS FLEXIBLES Y RÍGIDOS. ................................................................. 75

1. DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS. .................................................................................................................... 76 2. INFLUENCIA DE LA RIGIDEZ DE LAS CAPAS. ............................................................................................. 80 3. DEFORMACIONES EN PAVIMENTOS. ............................................................................................................ 82

CAPITULO IV .............................................................................................................................................. 85

CAPA SUBRASANTE. ................................................................................................................................................ 85

1. FUNCIONES DE LA CAPA SUBRASANTE. ...................................................................................................... 86 2. MATERIALES APROPIADOS. ........................................................................................................................... 86 3. TECNOLOGÍA DE LABORATORIO. .................................................................................................................. 87

CAPITULO V ................................................................................................................................................. 88

1. FUNCIONES DE LA SUB-BASE ......................................................................................................................... 89 2. FUNCIÓN DE LA BASE. ...................................................................................................................................... 91

CAPITULO VI .............................................................................................................................................. 94

DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES. ............................................................................................................... 94

1. DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES. .......................................................................................................... 95 1.1. INTRODUCCIÓN. ......................................................................................................................................... 95


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1.2. DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES POR EL METODO DE SAHOP. ................................................. 95 1.3. DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES POR EL METODO DE LA UNAM. ............................................ 99 1.4. DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES POR EL METODO DEL INSTITUTO NORTEAMERICANO DE ASFALTO DE E.U.A. .......................................................................................................................................... 107 1.5. DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES POR EL METODO DE AASHTO. ............................................ 115

CAPITULO VIII ....................................................................................................................................... 121

CONCLUSIONES...................................................................................................................................................... 121


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CAPITULO I

INTRODUCCIÓN.


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1. HISTORIA DE LAS VÍAS TERRESTRES.

Por necesidad de alimentación, las tribus y nómadas se trasladaban en caminos de tipo peatonal (veredas); posteriormente cuando los grupos se volvieron sedentarios, estos caminos tuvieron finalidades de tipo religioso, comercial y de conquista. En América y en particular en México, hubo este tipo de caminos durante el florecimiento de las civilizaciones maya y azteca.

A partir de la invención de la rueda apareció la carreta jalada por personas o por bestias; a

esto se debió la necesidad de construir caminos los cuales permitían transportarse con una mejor comodidad y rapidez.

Debido a que cuando las vías se construían en suelos blandos o lodazales las ruedas se

incrustaban en el terreno, se resbalaban y no podían avanzar con facilidad; colocaban piedras sobre el trayecto del camino. Los caminos para carretera se revestían de piedra machacada. La colocación de piedra y revestimiento en los caminos tenían la finalidad de evitar la ruptura estructural transmitiendo así un esfuerzo de menor intensidad al terreno natural, debido al incremento del área de influencia al aumentar la profundidad. Cada vez avía la necesidad de mejorar los caminos de acuerdo al desarrollo de las carretas y ruedas de materiales de mejor calidad, por esta razón se implementaban técnicas para poder construir caminos que les permitiera trasladarse rapidez, seguridad y comodidad.

2. LAS VÍAS TERRESTRES EN MÉXICO. A principio del siglo XlX se empezó a introducir en México los primeros automóviles que utilizaron los caminos ya existentes para las carretas. A partir de 1915 se empezó a construir caminos con técnicas mas avanzadas. Los primeros caminos de este tipo iban de ciudad de México a Veracruz, Laredo y Guadalajara. Estos fueros proyectados y construidos por firmas de Estados Unidos; sin embargo desde 1940 los ingenieros mexicanos se han dado a la tarea de construir una red de caminos pavimentados de mas de 85,000 km en principales y 120,000 km de caminos secundarios; todos con superficie de rodamiento revestida.

3. DEFINICIÓN DE PAVIMENTO.

Se entiende por pavimento al conjunto de capas comprendidas entre la subrasante y la superficie de rodamiento a nivel de rasante.

Por subrasante se conoce como la superficie de una terracería terminada, siendo esta ultima el conjunto de terraplenes y cortes de una obra vial.

La calidad de las capas de un pavimento es descendiente hacia abajo. Cuando el material de terracería es de muy mal calidad puede hacerse necesario el empleo

de una verdadera capa subrasante de material de mejor calidad que sirva de transición entre la tercería y el pavimento. Cuando el material de terracería sea de mejor calidad, la capa subrasante


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esta formada por el propio material de terracería con tratamiento constructivo algo mejor,

sobre todo en compactación.

4. CLASIFICACIÓN DE LOS PAVIMENTOS Y ESTRUCTURACIÓN. Existen dos tipos básicos de pavimentos: Rígido y Flexible.

1) PAVIMENTO RÍGIDO.- Los pavimentos rígidos están formados por una losa de concreto hidráulico, con recubrimiento bituminoso o sin él, apoyada sobre una subrasante o sobre una capa de material seleccionada llamada sub- base ( grava – arena). Los concretos usados son de resistencia relativamente grande, generalmente comprendida entre 210 Kg /cm², y 350 Kg/cm². En general se usa concreto simple y en ocasiones reforzado. 2)PAVIMENTO FLEXIBLE.-Los pavimentos flexibles están formados por una capa o carpeta bituminosa apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, LA BASE Y LA SUB- BASE. En los aeropuertos es común encontrar una combinación de los dos pavimentos antes mencionados. En el centro de la pista se tiene un pavimento rígido y en las orillas pavimento flexible ( un 15%).

Los pavimento se utilizan en la construcción de carreteras, avenidas, calles, bodegas, aeropuertos.

En general cualquier suelo natural es aprovechable para terracerías, excepto los suelos orgánicos o suelos expansivos que producirían deformaciones excesivas a las capas subyacentes.

En la actualidad existe el pavimento llamado SEMIRIGIDO que es, esencialmente un pavimento flexible a cuya base se ha dado una rigidez alta por la adición del cemento o asfalto.

La mejor calidad de las capas superiores del pavimento se debe a la mayor intensidad de los esfuerzos en la superficie del pavimento.


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SECCIONES TIPO DE PAVIMENTOS


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Para cumplir sus funciones un pavimento debe satisfacer dos condiciones básicas:

a).- Ofrecer una buena y resistente superficie de rodamiento, con la rugosidad necesaria para garantizar buena fricción con la llanta del vehículo y con el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramientos. b).- Debe tener la resistencia apropiada y las características mecánicas convenientes para soportar las cargas impuestas con el transito y con deformaciones que no sean permanentes.


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5. DEFINICIÓN DE OTROS TÉRMINOS. A).- TERRACERIAS: Están constituidos por el conjunto de cortes y terraplenes que dan forma a la obra vial; incluyen las terracerías, la denominada capa de subrasante que es una transición entre terracerías y pavimento. Las terracerías están constituidas generalmente por materiales no seleccionados y constituyen en si la sub-estructura de la carretera. B).- DESPLANTE: Superficie compactada o sin compactar en uno o varios niveles, sobre la cual se asienta una estructura o el camino mismo. C).- SUB-DRENES: Zanjas con tubería perforada colocada en la parte inferior y rellenas con un material con características especiales, de tal manera que sirva de filtro; tiene por objeto colectar y desalojar agua del suelo o de la terracería. D).- BOMBEO: Pendiente transversal de la superficie de las capas que constituyen la obra vial y que tiene por objeto facilitar el escurrimiento superficial del agua. E).- DRENAJE TRANSVERSAL: Está constituido por las alcantarillas y puentes que permiten el paso del agua de uno u otro lado de la carretera, generalmente por debajo de esta. F).- ALCANTARILLA: Es una obra de drenaje transversal con claro menor de 6 mts. G).- PUENTE: Es una obra que sirve para salvar topografía accidentada, con un claro mayor de 6 mts. H).- CORONA: Superficie comprendida entre las aristas superiores de los taludes de un terraplén o entre las inferiores de las cunetas de un corte. I).- RASANTE: Superficie de rodamiento de una carretera o aeropista terminada conforme a los niveles y secciones de proyecto. J).- ACOTAMIENTO: Franja comprendida entre la orilla de la carpeta y la corona de un camino. K).- RIEGO DE IMPREGNACIÓN: Producto asfáltico que se aplica sobre la superficie de la base, con el objeto que penetre en esta. L).- RIEGO LIGA: Es el producto asfáltico que se aplica sobre la base impregnada y antes de la construcción de la carpeta, con el objeto de lograr continuidad entre estas dos capas.

6. FUNCIONES DE LAS DIFERENTES CAPAS DE UN PAVIMENTO. a).- TERRACERIAS: La función de las terracerías es la de dar forma a la obra civil, recibir las cargas disipadas de los vehículos y formar una sustentación adecuada para el pavimento. Se compactan de 90% a 95%, de su P.V.S.M.(Suelo de mala calidad y carretera importante).


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b).- SUBRASANTE: Constituye una transición entre el pavimento y la terracería, se exige que los materiales tengan un V.R.S. mayor del 5% y una expansión menor del 5%. -Recibir y resistir las cargas de transito, que le son transmitidas por el pavimento. -Transmitir y distribuir adecuadamente las cargas de transito al cuerpo del terraplén. Estas dos funciones son comunes a todas las capas de las secciones transversales de una vía terrestre. -Evitar que el pavimento sea obstruido por las terracerías. -Evitar que las imperfecciones de la cama de los cortes se reflejen en la superficie de rodamiento. -Economizar espesores del pavimento, en especial cuando los materiales de las terracerías requieren un espesor grande. c).- SUB-BASE. -Una de las funciones es de economizar, ya que es más factible realizar una capa aun que de mayor espesor pero de menor calidad que la base. -La sub-base, mas fina que la base actúa como filtro de esta e impide su incrustación en la subrasante. -Absorbe deformaciones perjudiciales en la subrasante, por ejemplo cambios volumétricos asociados a cambios de humedad, impidiendo que se reflejen en la superficie del pavimento. -Actúa como dren para desalojar el agua del pavimento y para impedir la ascensión capilar hacia la base, del agua procedente d la terracería. -Recibir y resistir las cargas de tránsito a través de la capa que constituye la superficie de rodamiento (carpeta asfáltica o losa). d).- BASE -Proporcionar un elemento resistente al pavimento para transmitir a la sub-base y a la subrasante esfuerzos de menor intensidad. -Drenar el agua que se introduzca por la carpeta, así como impedir la ascensión capilar. e).- CARPETA. -Impedir el paso del agua al interior del pavimento. -Proporcionar una superficie de rodamiento adecuada. La capacidad de carga de los materiales friccionantes es baja en la superficie por falta de confinamiento, razón por la cual se necesita que sobre de ella exista una capa de material cohesivo y con resistencia a la tensión. Lo anterior lo proporciona la carpeta asfáltica.

7. PAVIMENTO RÍGIDO Y FUNCIONES DE LAS DIFERENTES CAPAS.

PAVIMENTO: Constituye la superestructura del camino y tiene como función soportar y transmitir las cargas de los vehículos disipándolas para que las terracerías no sufran asentamientos perjudiciales para el camino.

a).-SUB-BASE. Sirve de apoyo a la losa de concreto hidráulico; protege a la losa de

cambios volumétricos en la subrasante que inducirían esfuerzos adicionales a la losa. El bombeo


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se controla con una buena base. La sub-base casi no influye en el esfuerzo de la losa, ya

que esta debe ser capaz de soportar las cargas. b).-LOSA. Similar a la de la carpeta en pavimentos flexibles mas la función estructural y

soporte y transmitir las cargas a la subrasante.


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CAPITULO II

FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS.


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1. INTRODUCCIÓN. FACTORES INTRÍNSECOS DE LOS PAVIMENTOS. ABRASIÓN ---------------------------------------------- ESTRUCTURACIÓN EXPANSIÓN--------------------------------------------- DURABILIDAD CONTRACCIÓN ---------------------------------------- DEFORMABILIDAD DILATACIÓN------------------------------------------- RESIST. AL ESF. CORTANTE OXIDACIÓN-------------------------------------------- ESTABILIDAD VOLATILIZACIÓN RESISTENCIA ESTRUCTURAL RESISTENCIA A LA FATIGA

LUBRICACIÓN---------------------------------------- RESISTENCIA A LA TENSIÓN REPETICIÓN------------------------------------------ LA CADENA SE ROMPE POR LO MÁS DELGADO PICTOGRAMA QUE ILUSTRA LOS FACTORES QUE AFECTAN EL DISEÑO Y COMPORTAMIENTO DELOS PAVIMENTOS. LEYENDA: LAS PROPIEDADES DEL PAVIMENTO ENCADENADOS, DEBEN RESISTIR TANTO EL INTEMPERISMO COMO TAMBIÉN SOPORTAR LAS CARGAS Y LOS EFECTOS DESTRUCTIVOS DEL TRANSITO. Los factores intrínsecos de los pavimentos son sus características principales que debe tener un pavimento considerado como un conjunto. Del esquema anterior pueden deducirse que a medida que el tránsito aumenta y empieza atener importancia se hace necesario recubrir la superficie de las terracerías con una capa o capas que cumpla con los requisitos siguientes: .- Ser estable ante los agentes del intemperismo. .- Ser resistente a la acción de las cargas impuestas. .- Tener textura apropiada al rodamiento.


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.- Ser durable. .- Tener condiciones adecuadas en lo referente a la permeabilidad. .-Ser económica.

Los requisitos anteriores definen una capa de material granular de muy buena calidad que no es posible obtener en forma natural y cuyas partículas deben de estar ligadas de un modo artificial. Los suelos naturales nunca podrían soportar la acción directa y prolongada del transito. Inicialmente se construía una capa de muy buena calidad, muy costosa, pero delgada, por lo que a pesar de sus buenas propiedades transmitía a las terracerías nivelas de esfuerzo muy altos que perjudicaban muy pronto a la propia superficie de rodamiento por falta de un apoya adecuado. Para solucionar este problema se sigue dos corrientes diferentes. 1).- La capa de rodamiento se construye con suficiente espesor y de una calidad que se logre que los esfuerzos transmitidos a la terracería sean compatibles con la calidad de esta. Esta corriente lleva a los pavimentos rígidos. 2).- La superficie de rodamiento se logra mediante una capa bituminosa relativamente delgada, de alto costo y de alta calidad, paro entre ella y las terracerías se interpone un sistema de varias capas de materiales seleccionados, cuya calidad disminuya con la profundidad, de acuerdo con los niveles de esfuerzos producidos por el transito en cada nivel. Este es el criterio que conduce a los pavimentos flexibles. En los dos casos puede decirse que el espesor que el espesor del pavimento depende fundamentalmente de la calidad del material de la terracería, que constituye un apoyo. En algunas ocasiones se incrementa la resistencia de las capas mediante la adición de cemento, asfalto o cal, lográndose así grandes ahorros en espesor de las capas y una mejor distribución de los esfuerzos. Esta solución a base de capas semi-rígidas de suelo-cemento, suelo-asfalto, etc, constituyen un tercer tipo de pavimentos que se llaman PAVIMENTOS SEMI-RÍGIDOS, sin embargo generalmente los encasillan en el grupo de los pavimentos flexibles. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES QUE DEBE TENER UN PAVIMENTO COMO CONJUNTO. .- La resistencia estructural. .- La deformabilidad. .- La durabilidad. .- El costo. .- Los requerimientos de conservación. .- La comodidad.


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a).- LA RESISTENCIA ESTRUCTURAL.

La primera condición que debe de cumplir un pavimento es de soportar las cargas impuestas por el transito.

La metodología teórica para el análisis de la resistencia de los pavimentos es proporcionada por la Mecánica de Suelos, la cual considera que los esfuerzos cortantes son la principal causa de falla desde el punto de vista estructural. (Suelos homogéneos, isótropos, los pavimentos son heterogéneos, anisótropos).

El problema de la resistencia de los pavimentos, se plantea desde al punto de vista de la estructura de los materiales del pavimento considerando ala terracería en forma pasiva, sin embargo en muchas de las fallas en pavimentos se originan probablemente en las terracerías.

Otro factor que influye en la resistencia de loa materiales es el tipo de carga que se aplica, ( cargas móviles y repetitivas). En la actualidad se determina la resistencia de los pavimentos considerando cargas estáticas y con velocidad de aplicación lenta. El hecho de que las cargas actuantes sean repetitivas afecta a la larga la resistencia de la capas del pavimento de relativa rigidez (fatiga), es causa de la ruptura de los granos.

La resistencia de los materiales que forman los pavimentos interesa desde dos puntos de vista: 1).- En cuanto a la capacidad de carga que pueden desarrollar las capas constituyentes del pavimento para soportar adecuadamente las cargas de transito. 2).-En cuanto ala capacidad de carga de la capa subrasante, el que constituya el nexo del pavimento y la terracería, para soportar los esfuerzos transmitidos y transmitirlos ala terracería a niveles convenientes.

Una capa delgada puede soportar en si misma las cargas impuestas, pero transmitirá altos esfuerzos a los inferiores, en tanto que una capa gruesa, cuya resistencia mejora un poco en el aumento del espesor, se distinguirá por transmitir esfuerzos menores a las capas subyacentes. De lo arriba expuesto un subrasante resistente será capaz de tolerar niveles de esfuerzo relativamente altos por lo que podrían usarse sobre ella espesor de capa reducidos y así obtener importante ahorros en la inversión. b).- DEFORMABILIDAD.

En algunos aspectos el problema de la deformabilidad de los pavimentos tiene un planteamiento opuesto al de la resistencia. Con respecto a la deformación, dada la naturaleza de los materiales que forma las capas del pavimento, la deformabilidad suele crecer mucho hacia abajo y la terracería es mas deformable que el pavimento propiamente dicho y dentro de este, la subrasante, capa inferior, es mucho mas deformable que las capas superiores.


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Desde el punto de vista la deformabilidad interesa sobre todo a niveles relativamente

profundos, pues es fácil que las capas superiores tengan niveles de deformación tolerables, aun para los altos esfuerzos que en ellas actúan.

En los pavimentos las deformaciones interesan, como es usual en ingeniería, desde dos

puntos de vista. Por un lado porque las deformaciones excesivas están asociadas a estados de falla y por otro lado, es sabido que un pavimento deformado puede dejar de cumplir sus funciones, independientemente de que las deformaciones no hayan conducido a un lapso estructural propiamente dicho, es decir deben de cumplir tanto la condición de FALLA como la de SERVICIO.

Las cargas de tránsito producen en el pavimento deformaciones de varis clases. Las elásticas son de recuperación en el pavimento después de cesar la carga deformadora. Bajo carga móvil y repetitiva la deformación plástica tiende a hacerse acumulativa y puede llegar atener valores inadmisibles. Paradójicamente este proceso va acompañado de una compactación o densificación de los materiales, de manera que el pavimento “fallado”, puede ser mas resistente que el original.

En la actualidad un buen numero de métodos de diseño se basan en mantener ala deformación dentro de limites tolerables.

Existen dos criterios para fijar la deformación máxima permisible. Es la que produce la falla del camino, entendiendo por esta la condición en la que el pavimento llega a perder las características de servicio para las (AASHO), que fue diseñada o bien se toma en cuenta la deformación que obligue a una de reconstrucción de determinada importancia (CRITERIO BRITÁNICO). c).- LA DURABILIDAD.

Las incertidumbres prácticas ligadas a la durabilidad de un pavimento flexible son grandes y difíciles de tratar.

Es difícil definir cual es la durabilidad deseada que haya de lograrse en cada caso. Evidentemente que esta ligadas a una serie de factores económicos y sociales del propio camino; en una obra modesta la duración del pavimento puede ser puede ser mucho menor que la del camino, con tal de que la serie de reconstrucciones que entonces se requieran valga menos que el costo inicial de un pavimento mucho menos durable, mas el valor que pueda darse al las interrupciones de servicio a que las reconstrucciones den lugar; por el contrario en obras de muy alto transito y gran importancia económica se requerirán pavimentos muy duraderos a fin de no tener que recurrir a costosas interrupciones de un transito importante.

Para logra la durabilidad deseada una vez fijada, surgen muchas incertidumbres a fin de lograrla, ya que hay que analizar el efecto del clima y del transito cuya influencia en la vida del pavimento no puede definirse con exactitud.


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(Lluvias, ciclones, inundaciones, terremotos); En la actualidad no existe un método de diseño que tome todos estos efectos. d).- EL COSTO.

Como todas la s estructuras de ingeniería un pavimento representa un balance entre la resistencia y la estabilidad, por un lado y el costo por el otro.

Un diseño correcto es aquel que llegue a satisfacer los requerimientos de un servicio a un costo mínimo.

Para lograr el equilibrio antes mencionado se puede seguir muchas líneas de conducta y de aquí surge uno de los aspectos más inciertos y de los que requiere mas criterio.

La primera decisión en tomar debe ser el tipo de pavimento a emplear, es decir si se empleara un pavimento rígido, flexible o semi-rígido, ya que cada uno de ellos tiene sus ventajas comparativamente ablando.

En general los pavimentos rígidos demandan poco gasto de conservación y se deterioran poco, pero su costo de construcción es elevado y están sujetos a la existencia de los materiales necesarios y a un equipo de construcción especializado.

Los pavimento flexibles requieren menor inversión inicial, pero una conservación mas costosa. Los pavimentos semi-rígidos pueden construir soluciones muy económicas, cuando los materiales de que se dispone para la construcción los hacen convenientes, pues permiten apreciables reducciones en los espesores. No hay regla fija que permita establecer el tipo de pavimento conveniente en cada caso y esto deberá de establecerse en cada situación particular.

Las normas anteriores permiten pensar que los pavimento rígidos serán especialmente deseables en zonas urbanas, calles y avenidas y en carreteras de muy alto transito, en la que cualquier interrupción de servicio o deterioro del mismo sean de importancia. Existe una marcada preferencia por parte de los pilotos hacia el uso de pavimento rígidos, debido al a mayor suavidad de operación que con ellos puede lograrse cuando esta bien construidos y a la mayor durabilidad, por el uso de pavimento rígidos en aeropuertos es casi universal, pero debe analizarse mas cuidadosamente esto, ya que en México, un pavimento flexible puede ser dos o dos y media veces mas barato que un rígido; este hecho inclina la balanza a favor de la pistas asfálticas en aeropistas más modestas, en que el menor trafico aéreo debilita la argumentación a favor de la comodidad, la seguridad o la rapidez de operación ya que las interrupciones de servicio por operaciones periódicas de conservación no causan trastornos.

Elegido el tipo de pavimento, deberán de seleccionarse los materiales que intervendrán en su estructura. Es posible que existan en abundancia y que el problema se reduzca a elegir su selección, pero también es posible que escaseen en tal grado que obliguen al proyecto del pavimento en su conjunto a adaptarse a los materiales que existan.


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Cuando se fijan los bancos de materiales que se utilizarán en la construcción de un pavimento acarrea consigo muchos problemas de solución incierta en lo referente a la homogeneidad de los bancos, los métodos de extracción a seguir, los tratamientos a dar a los

diferentes materiales, el volumen de los desperdicios y del materia aprovechable, etc, todos

los cuales se reflejan mucho en los costos. Otro de los factores que intervienen en forma decisiva de los costos de un pavimento y para

cuya definición no existen tampoco reglas fijas confiables es el relativo a las normas de construcción a que han de sujetarse los diferentes materiales para cumplir con los requerimientos de un proyecto determinado. La compactación por ejemplo, involucra un gran numero de incertidumbres importantes que han de resolverse sobre la marcha con base a la experiencia y en el sentido común de los proyectistas y constructores. e).- LOS REQUERIMIENTOS DE CONSERVACIÓN.

Una vez una gran cantidad de incertidumbres de la s que se plantea en la práctica de los pavimentos tiene que ver con la conservación.

Los factores climáticos influyen decisivamente en la vida de los pavimentos, por lo que el proyecto ha de tomarlos en cuenta para preservarlos, a fin de dejar a la conservación una tarea razonable; sin embargo, es obvio que tales factores involucran muchos elementos de estimación difícil a pesar de lo cual esta debe de intentarse siempre, conjugando la experiencia precedente de una buena información de las condiciones locales.

La intensidad de tránsito también se refleja en el aspecto que se analiza; se trata ahora de prever el crecimiento futuro tanto del numero como del tipo de vehículos circundantes, ya que de lo contrario la tarea de conservar el pavimento será muy difícil.

Otro factor a tomar en cuenta es el futuro comportamiento de la terracerías su deformaciones, derrumbes, pues de otra manera podrá llegarse a grandes problemas de conservación y de reconstrucción. Es frecuente que el comportamiento esperado para las terracerías se refleje en forma decisiva en los pavimentos.

Las condiciones de drenaje y sub.-drenaje de la vía terrestre son seguramente uno de los puntos más importantes para definir la vida de un pavimento, como de su necesidad de conservación.

La disgregación de los materiales constitutivos por carga repetida, es otro aspecto importante a reflejarse en los requerimientos de conservación

Aun que existen en la actualidad algunas pruebas orientadoras en relación con el comportamiento de los materiales a este respecto, son muchas las dudas que existen en la actualidad; es fundamental que estas sean resueltas sean resueltas con buen juicio y experiencia, pues es un hecho comprobado que los descuidos en este terreno se reflejan rápidamente en una conservación costosa y aun en la necesidad de reconstrucciones.


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Frecuentemente los pavimentos sufren falta de conservación sistemática, con lo que su vida

se acorta. Esto sucede sobre todo invocando escasez de recursos o impostergables necesidades sociales para la construcción de obras nuevas. f).- LA COMODIDAD.

Sobre todo en grandes autopistas y caminos de primer orden, las pruebas y métodos de diseño de los pavimentos deben verse afectados por la comodidad que el usuario requiere para transitar a la velocidad de proyecto.

También quedan incluidas es este aspecto la seguridad y la estética del camino.

Las deformaciones longitudinales de un pavimento, pueden constituir una gran incomodidad para el usuario, aunque desde el punto de vista estructural no representan ningún peligro de falla.

Para poder desarrollar una tecnología adecuada de los pavimentos debe tenerse un sólido conocimiento de los materiales y las características de resistencia y deformación de los suelos proporcionada por la Mecánica de los Suelos.

Un pavimento no debe de considerarse como un conjunto de capas colocadas en la parte superior de un camino, como comúnmente se hace, si no que sería más racional hablar del diseño estructural del camino, que incluyen en un conjunto único al terreno de cimentación, terracerías, sub.-rasante, base y carpeta. Parece muy difícil llegar a proyectar con éxito los pavimentos mientras se siga concentrando la atención solo a las capas superiores, siendo que las inferiores influyen siempre y frecuentemente son determinantes. CARACTERÍSTICAS DEL TRÁNSITO.

Las características del tránsito que es necesario conocer para el proyecto de los pavimentos

son: Tránsito diario promedio anual (TDPA). Tránsito en el carril de diseño. Composición del tránsito por tipos de vehículos. Peso de los vehículos, cargados y vacíos. Numero y composición de ejes y llantas. Incremento anual del tránsito. Número de vehículos o de ejes que transitaran por el camino durante su vida útil. TRÁNSITO DIARIO PROMEDIO ANUAL.

Se llama tránsito diario promedio anual (TDPA), al número total de vehículos que

transitaran en una carretera en ambos sentidos durante un año, dividido entre 345 días.


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Para determinar el TDPA de un camino en operación, se cuenta en forma directa el tránsito,

operación que se llama aforo y puede realizarse por operarios o por contadores mecánicos; también el conteo puede llevarse durante todo el año o solo en cierta temporada luego proyectarlo a un año,

para lo cual se emplean técnicas estadísticas. Conociendo el TDPA de varios años consecutivos, se puede conocer la tendencia del incremento.

Para conocer el TDPA de un camino que se va a construir, la situación se complica, pues todavía no hay tránsito sobre él, por lo que se recurre a estimarlo basándose en lo que se llama tránsito inducido y tránsito generado.

El tránsito inducido es aquel que en la actualidad esta utilizando otros caminos, pero que al construirse el nuevo, hará uso de él para llegar al mismo destino. Es decir, el tránsito que ahora hace un rodeo, pero que al abrirse un nuevo camino lo utilizará por ser mas directo, o por darle mayores facilidades par allegar al sitio deseado.

Para conocer con bastante aproximación el tránsito inducido, se realizaran estudios de origen y destino en los caminos que actualmente están en operación, en los que se hace entrevistas tanto a lo operadores de los vehículos como a os pasajeros.

El tránsito generado, es aquel debido al desarrollo propio de la zona de influencia del nuevo camino, para conocerlo, se hace una cuantificación de los productos que se generarán, tanto agrícolas como ganaderos, industriales, etc, y se calcula el número de vehículos que serán necesarios para su movimiento y además se estudia el número de vehículos que serán necesarios para su movimiento y además se estudia el número de vehículos que se necesitarán par actividades comerciales, turísticas, etc.

Con la suma del tránsito inducido y generado, se puede conocer el TDPA para caminos futuros.

La tendencia de incremento de estos caminos se puede deducir tomando en cuenta la que corresponde a los caminos ya construidos en la zona. TRÁNSITO EN EL CARRIL DE DISEÑO.

De el TDPA se necesita conocer el porcentaje que hace uso del carril en donde se carga

mas el movimiento, el cual se toma como carril de diseño, para un camino de dos carriles (uno en cada sentido), se ha llegado ala conclusión que el carril de diseño lleva de 60 a 65% del TDPA ; para conocer un camino de 4 carriles, el carril de diseño lleva casi la misma cantidad de vehículos que uno de dos, pues en los carriles de la derecha transitan los vehículos de mayor peso, que dañan mas el pavimento, por lo que en este caso, de 4 carriles se toma el 50% del TDPA para el carril de diseño. COMPOSICIÓN DEL TRÁNSITO.


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También es necesario conocer la cantidad de vehículos de diferentes tipos que circulan por las carreteras, los cuales se pueden dividir en grupos para hacer menos difíciles los cálculos.

Otros datos necesarios para conocer la influencia del tránsito comentadas en los párrafos

anteriores, se aplica de dos maneras diferentes para la estructuración de una vía terrestre. La primera de ellas se denomina “a un nivel fijo de tránsito”, en el cual se elige el vehículo que mas daño causa a la estructura, tomando en cuenta tanto al número de pasadas como el peso. En la segunda forma, se toma todo el tránsito que utiliza la vía y se denomina de “tránsito mezclado”. CRITERIO DE TRÁNSITO MEZCLADO.

La segunda forma de utilizar los datos del tránsito para su aplicación en el proyecto de

pavimentos, es tomar las características de todos los vehículos y entonces, para trabajar con unidades homogéneas (un mismo tipo de vehículo), se utiliza el criterio de vehículos o ejes equivalentes para lo que se usa el factor de daño. FACTOR DE DAÑO.

El factor de daño es la relación del daño que un vehículo dado causa a la estructura de la

obra, con relación al daño que le causa un vehículo estándar.

En México como en otros países, incluyendo E.U.A., se utiliza como estándar un eje sencillo con ruedas sencillas, soportando una carga total de 8.2 ton. (18,000 lbs)o sea 4.1 ton. por rueda

2. EFECTOS DEL TRÁNSITO. El tránsito produce las cargas a que el pavimento va estar sujeto. Para el diseño de los

pavimentos interesa conocer la magnitud de esas cargas, las presiones de inflado de la llantas, así como su área de contacto, su disposición y arreglo en el vehículo, la frecuencia y el número de repeticiones de las cargas y las velocidades de aplicación.

Una buena parte de estas características de las cargas son muy difíciles o imposibles de

reproducir en el laboratorio. Por estas razones el estudio de los pavimentos es hasta la fecha casi puramente empírico, en

pocos casos se ha llegado a incorporar la teoría en forma satisfactoria, por lo tanto no se guarda un balance correcto entre teoría y experiencia.

No es posible reproducir en el laboratorio las condiciones de movilidad, variabilidad y

frecuencia de las cargas, ni el efecto de su repetición. La inmensa mayoría de las pruebas que se utilizan en el laboratorio son de carácter estático; su aplicación a un problema esencialmente


.

21

dinámico constituye una de las deficiencias mas grandes en la actual técnica de investigación de pavimentos.

En general las cargas estáticas o lentas ejercen peores efectos que las más rápidas. Por eso

en caminos es mas frecuente ver destruidos los tramos de subida que los de bajada. Lo mismo los pavimentos en las calles de rodajeo cabeceras de aéropistas.

2.1. MÉTODO DE HVEEM O MÉTODO DEL DEPARTAMENTO DE CARRETERAS DE CALIFORNIA PARA EL ANÁLISIS DEL TRÁNSITO (PAVIMENTOS FLEXIBLES).

Debido a que el tráfico es poco uniforme todas las variables del tránsito deben reducirse a un concepto constante a que pueda ser manejado mediante fórmulas, de tal necesidad surgieron los conceptos de RUEDA DE DISEÑO y el de CARGA EQUIVALENTE.

Estos conceptos deben de tomar en cuente los siguientes factores: la carga transmitida por

la rueda, área de influencia de la carga, número de llantas en el arreglo, especialmente entre ejes. Para determinar la RUEDA DE DISEÑO se analiza una rueda ideal (esto en aeropuertos),

en carreteras es más común analizar el camión mas frecuente o el mas pesado, para determinar la carga equivalente o carga ideal que producirá los mismos efectos que el tránsito real.

Para determinar la CARGA EQUIVALENTE se puede seguir dos criterios, el primero,

consiste en buscar que la rueda produzca a una cierta profundidad los mismos esfuerzos verticales o normales que el sistema de llantas del vehículo y el segundo se busca que produzca las mismas deformaciones.

W S = deformación. Tensión Compresión Pavimento

La deformación produce esfuerzos de tensión y de compresión en la estructura del

pavimento.


.

22

DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS NORMALES A TRAVÉS DE LA ESTRUCTURA

DEL PAVIMENTO. W

Po

Po P1 PAVIMENTO

P1

De mediciones y de la teoría de distribución de esfuerzos se comprueba que los efectos de dos llantas se empieza a superponer a una cierta distancian, como se muestra en la figura.

S d

Llantas. d/2 2S


.

23

Se empieza a suponer los esfuerzos. Se suponen los esfuerzos como si actuara en la superficie una fuerza única 2P1. Considerando que la carga varia linealmente con la profundidad (aunque en realidad no

ocurre), se tiene: Método grafico para determinar la carga equivalente (CE) de un sistema dual. Esc. Log CARGA 2P1 EQUIVALENTE

P1

d/2 Z 2S

Entre los procedimientos para homogeneizar el transito en carreteras está el método realizado por el departamento de Carreteras de California, basado en datos estadísticos locales, por lo que se debe de adaptar en otras zonas. En este método el transito se expresa por medio del concepto de “ÍNDICE DE TRANSITO”, dada por la formula: 0.119 IT = 6.7 (CE) 6 10 Donde: IT= Índice de tránsito. CE= Carga equivalente. Es el numero de ruedas de 2270 kg. (5,000 lbs).que equivale al transito real del camino dentro del periodo de diseño.


.

24

Secuela de cálculo para determinar el índice de tránsito

1) Se estima el número diario de vehículos promedio que circula en un solo sentido, agrupados según el número de ejes (de aforos realizados durante algún año).

2) Se convierten o reducen a la carga equivalente, multiplicando el número de vehículos

diario por los factores de la tabla No 1, lo cual nos da el número anual de vehículos con carga estándar que producirán los mismos efectos sobre el pavimento que lo vehículos reales:

Tabla No 1. Factores de equivalencia para las llantas en arreglo dual de vehículos de varios ejes con la rueda estándar de 2270 kg (5,000 lbs). No De ejes del vehículo

Valor de la carga equivalente (CE)para un año de

servicio del pavimento.No De ejes del vehículo.

Carreteras principales. Carreteras secundarias.

2 280 200

3 930 690

4 1320 1070

5 3190 1700

6 1950 1050

En este método no se toma en cuenta el efecto de los automóviles (A). 3) Se suman todos los productos, obteniéndose así la Carga Equivalente Total (ΣCE), para

un año. 4) Se determina el Índice de Tránsito (IT), con la expresión:

0.119 IT = 6.7 (CE) ...........................(1). 6 10


.

25

Donde CE es la carga equivalente, de terminada por la expresión: CE = ΣCE. Fp .................................(2) Donde: p = Periodo de diseño, que para este método es de 10 años. Fp = Factor de proyección. Expresión que se determina con: 1+ (TDPA) f (TDPA) i Fp = (3) 2 Donde: TDPA = Tránsito Diario Promedio Anual, es decir el tránsito que pasa en el día medio del año.

f, i = se refiere al instante final e inicial del periodo de diseño de 10 años. De la formula del interés compuesto: p ( TDPA ) f = (TDPA ) i (1 + tc%) 100 Por lo que: p (TDPA ) f =(1 + tc%) ............................... (4) (TDPA ) i 100 Donde: tc = Tasa de crecimiento anual. EJEMPLO No1.

Determinar el índice de transito (IT) para un periodo de diseño ( vida útil).de 10 años, de acuerdo con los siguientes datos:

a) Carretera principal.

Tipo de vehículo

No de ejes Volumen promedio diario anual en un

sentido

Tasa de crecimientoEn % (anual)

B 2 ejes 342 7%

C2 2 ejes 367 7%


.

26

C3 3 ejes 58 7%

T2S2 4 ejes 14 7%

T3S2 5 ejes 51 7%

1.a). CALCULO DE LA CARGA EQUIVALENTE TOTAL. (ΣCE) || De la tabla 1 se ven los coeficientes CE para cada tipo de vehículo y considerando:

Tipo de vehículo TDPA Factor de equivalencia CE

(Anual )CE

B 342 X 280 95,760

C2 367 X 280 102,760

C3 58 X 930 53,940

T2S2 14 X 1320 18,480

T3S2 51 X 3190 162,690

TOTAL ΣCE = 433,630

Carga equivalente para un año. 1.b) Determinación del factor de proyección Fp: De la formula (4): P 10 (TDPA ) f =(1 + tc%) = (1+0.007) =1.97 (TDPA ) i 100 Sustituyendo en (3): 1+ (TDPA) f (TDPA) i Fp = = 1+2 = 1.50 2 2 Sustituyendo en (2): CE = pΣCE . Fp CE = 10 x 433,630 x 1.50 = 6,504,450 Ruedas de 2270 kg De ( 1) 0.119 0.119 IT = 6.7 (CE) = 6.7(6.504450) = 8.37 6 10


.

27

RESULTADO : IT = 8.37 EJEMPLO No 2 Determine el índice de transito (IT) para un periodo de diseño de 10 años, de acuerdo con los siguientes datos:

Tipo de vehículo No de ejes Vol. Promedio diario anual (VPDA) un solo

sentido

Tasa de crecimiento

B 2 ejes 340 10

C3 3 ejes 180 8 T2S2 4 ejes 90 6 T3S2 5 ejes 60 2

2.a) Determinación del factor de proyección Fp para cada tasa de crecimiento: 10 Fp (2 ejes) = 1+(1+ 0.10) = 1.80 2 10 Fp (3 ejes) = 1+(1+ 0.08) = 1.58 2 10 Fp (4 ejes) = 1+(1+ 0.06) = 1.40 2 10 Fp (5 ejes) = 1+(1+ 0..02) = 1.11 2 2.b) determinaciones de las cargas equivalentes totales (ΣCE)

No de ejes TDPA (2) Factor de proyección

TDPA aumentando

Fp (3)

Factor de equivalencia (5) tabla 1

Carga equivalente

anual (6)=(4)(5)


.

28

2 ejes 340 1.80 612.0 280 171,360 3 ejes 180 1.58 284.4 930 264,492 4 ejes 90 1.40 126.0 1320 166,320 5 ejes 60 1.11 66.6 3190 212,454

ΣCE = 814.626

CE para p = 10 años

CE = pΣCE =10 (814,626) = 8,146,260 ejes de 2270 kg.

2.c.) Calculo del Índice de Tránsito.(IT).

De la ecuación (1) se tiene: 0.119 0.119 IT = 6.7 (CE) = 6.7(8.14626) = 8.60 6 10

RESULTADO IT = 8.60

2.2. CONVERSIÓN DEL TRANSITO MEZCLADO A CARGAS EQUIVALENTES DE 8.2 TON. POR EJE SENCILLO.

El método que se describe a continuación permite efectuar la conversión del tránsito mixto a tránsito equivalente para diferentes cargas por eje de los vehículos considerándolos vacíos y cargados. Se utiliza como referencia el eje sencillo de 8.2 ton., (18,000 lbs), y los coeficientes de equivalencia deducidos de la prueba AASHO (Kv, Kc). En la tabla No 2 están calculados dichos coeficientes para los pesos y cargas promedio de los diversos tipos de vehículo, basándose en 38 estudios de origen y destino, realizados en diferentes zonas del país por la Secretaría de Obras Publicas. El volumen de tránsito actual que circula en un camino, puede convertirse a un tránsito equivalente con cargas de 8.2 ton., por eje sencillo, para ello se requiere conocer la clasificación de vehículos en porcentaje del volumen total.


.

29

El tránsito equivalente deberá calcularse en un solo sentido y por carril de diseño. Si se trata de dos carriles con tránsito en ambas direcciones se tendrá: VPDA 1 = VPDA 1 2 Donde: VPDA 1 = Tránsito promedio diario anual en un solo sentido (para el año actual). De acuerdo con su clasificación: VPDA 1 = Σ (A + B + C2 + C3 + C4 + C5).........(5) Σ ejes equivalentes de 8.2 ton. = AK + BK + C2K +C3K + T2-S1...........) (Para el año actual ). A B C2 C3 El tránsito deberá estimarse para un número “p” de anos proyecto del pavimento y se incrementara año con año según la tasa de crecimiento calculad a ( o estimada ). Para cada año, hasta el año de proyecto, se deberá calcular su correspondiente tránsito equivalente. La suma total de ejes equivalentes de 8.2 ton., calculados por una vida de proyecto de “p” años será: ΣLT = Tránsito acumulado de ejes equivalentes de 8.2 ton., en un solo sentido, al cabo de p años de servicio. EJEMPLOS: 1).- Determinar el tránsito equivalente en ejes de 8.2 ton., con los siguientes datos: VPDA = 2,000 vehículos ( en 2 sentidos). Clasificación del tránsito: Tipo Ap = 95% B = 3.2 % C3 = 1.8% Tasa de crecimiento anual ( tc ) = 4% Periodo de diseño p = 5 años. 1.a).- Cálculo del incremento anual del tránsito mezclado:


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30

Año VPDA Actual (1998) 2,000 1er Año 2,000 x 1.04 = 2,080 2º. Año 2,000 x 1.04 = 2,163.2 : p Año Ver tabla anexa. 1.b).- Cálculo del tránsito anual en un solo sentido: Para 1998: VPA = 2,000 x 365 = 365,000 2

Para 2000: VPA = 2,163.2 x 365 = 394,784 Para los años siguientes ver la tabla anexa. 1.c).- Cálculo del número de vehículos de diferentes tipos, de acuerdo a sus porcentajes: A = 95% B = 3.2% C = 1.8% Vehículos A en un solo sentido: A = 0.95 VPA. Vehículos B en un solo sentido: B = 0.032 VPA. Vehículos C en un solo sentido: C = 0.18 VPA Para 1998 : A = 0.95 (365,000) = 346,750 B = 0.032 (365,000) = 11,680 C = 0.018 (365,000) = 6,750 Para los siguientes años ver la tabla anexa.

1.d).- Transformación a ejes equivalentes de 8.2 ton. De la tabla No 2 se determinan los coeficientes de equivalencia Kc: KCA = 0.0004 KCB = 1.119 KCC = 0.77 Para 1998: AKA = 346,750 ( 0.0004) = 138.7 BKB = 11,680 (1.119 ) = 13,069.92 CKC = 6,750 ( 0.77 ) = 5,058.90 Para los demás años ver la tabla anexa. Σ Ejes equivalentes de 8.2 ton., = AKA + BKB + CKC ( columna 10).


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31

Determinación del tránsito equivalente acumulado ( tránsito futuro )en ejes de 8.2 ton1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

AÑO VPDA VPA A. B. C: 0.0004A 1.119B 0.77C L1998 2000 365000 346750 11680 6570 138.7 13070 5058.9 182681999 2080 379600 360620 12147 6832.8 144.25 13593 5261.3 189982000 2163.2 394784 375045 12633 7106.11 150.02 14136 5471.7 197582001 2249.7 410575 390047 13138 7390.36 156.02 14702 5690.6 205482002 2339.7 426998 405648 13664 7685.97 162.26 15290 5918.2 213702003 2433.3 444078 421874 14211 7993.41 168.75 15902 6154.9 22225

ΣL total = 121,168

2.3. ANÁLISIS DEL TRÁNSITO ACUMULADO EN EJES SENCILLOS DE 8.2 TON. POR EL MÉTODO DE LA UNAM ( INSTITUTO DE INGENIERÍA). En este método el tránsito está caracterizado por la variable ΣL, la cual representa el tránsito acumulado al cabo de p años de servicio, en ejes sencillos equivalentes de 8.2 ton. Para determinar esa variable se emplea la siguiente expresión: Σl = Kc x CAT x ( TDPA)1 ...........................(1) Donde: ΣL = Tránsito acumulado. Kc = Coeficiente de daño, según el tipo de vehículo ( tablas ). CAT = Coeficiente de acumulación de tránsito. (TDPA )1 = Tránsito promedio diario anual en un solo sentido. p CAT = [( 1 + r ) –1] 365 ................................(2) r En donde: r = Tasa de incremento anual. P = Años de servicio.

Los de los coeficientes de acumulación de tránsito se encuentran tabulados para varios años de servicio y diferentes tasas de crecimiento anual en el ejemplo que se anexa. El coeficiente de acumulación de tránsito nos representa un número por el cual se multiplica el (TDPA)1 o el tránsito diario inicial para obtener el número de vehículos que pasan por la carretera al cabo de “p” años de servicio, considerando r = cte.

El coeficiente de daño de un vehículo a determinada profundidad es la suma de los coeficientes individuales de sus ejes o grupos de ejes a esa profundidad. El coeficiente de daño varía pues con la profundidad, por lo tanto ΣL, ( el tránsito acumulado), como no se conoce a priori el espesor de cada capa se recomienda lo siguiente: Para diseñar la carpeta y base considerar z = 0


.

32

Para diseñar la sub- base z = 30 cm. Por lo tanto se van a tener dos valores para el tránsito acumulado ΣL Nótese que la expresión (1) supone que durante el plazo de análisis, la composición, distribución y proporción de vehículos vacíos y tasa de crecimiento anual pertenecen constantes. En la medida que se cumpla esta hipótesis y de la exactitud de los datos de tránsito inicial, se tendrá mayor o menor certeza en la determinación de ΣL. Nivel de confianza.- El nivel de confianza, puede variar de cero a uno. A mayor nivel de confianza se tendrán mayores espesores y mayor estructuración. Cambiar a un nivel de confianza mayor significa mayor costo del pavimento. Para elegir el nivel de confianza, el analista debe de tomar en cuenta el tipo e importancia de la carretera, procedimiento y control de construcción, tipo de conservación previsto y riesgo que se quiera aceptar. Por ejemplo el cambio secundario, construido y conservado en condiciones adecuadas podría diseñarse con un nivel de confianza de 0.6; en cambio, un camino principal de alto tránsito podría proyectarse con un nivel de confianza de 0.9; por otra parte si en el camino secundario se prevén condiciones de construcción y conservación malas, el nivel de equivalentes confianza podrías ser tan alto como el del camino principal.


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33

Tabla No 2 Conversión de vehículos a ejes equivalentes.

Kv = Coeficiente de equivalencia para el vehículo vacío Wvac = Peso vacío en ton.

Kc = Coeficiente de equivalencia para el vehículo cargado Wcar = Peso cargado en ton. AP -

3.00

Carga de 2.5 ton. AC

3.90

25 pasajeros

B 6.10 C2 Carga 5.1 ton.

Eje Wvac Kv Kcar Ka 1 0.9 0.0001 1.0 0.0002 2 0.9 0.0001 1.0 0.0002 3 - - - - Σ 0.0002 2.0 2.0 .0004

1 1.2 0.0005 1.6 0.0014 2 1.2 0.0005 3.3 0.0260 3 - - - - Σ 2.4 0.0010 4.9 1.0274

1 3.0 0.0180 4.2 0.0690 2 7.0 0.5310 8.3 1.0500 3 - - - - Σ 10.0 0.5490 12.5 1.1190


.

34

4.40 Carga 9.7 ton C3 5.25 4.50 1.30 Carga 9.70 ton T 2-S1 9.60(32’) 3.70 7.50 Carga 13.3 ton T 2-S2 9.60(32’) 3.90 5.85 1.85 Carga 16 ton T 3-S 11.0(16’)

1 1.5 0.0011 2.5 0.0086

2 2.7 0.0118 6.8 0.4730 3 - - - -

Σ 4.2 0.0129 9.3 0.4816

1 1.7 0.0018 2.6 0.0100

2 5.2 0.0144 14.0 0.7600 3 - - - -

Σ 6.9 0.0129 16.6 0.4816

1 2.5 0.0085 3.0 0.0180

2 3.6 0.0370 8.0 1.9059 3 3.0 0.0180 7.8 0.8186

Σ 9.1 0.0635 18.8 1.7425

1 3.5 0.0331 4.0 0.0560

2 4.0 0.0560 8.5 1.1600 3 3.8 0.0100 12.1 0.4300

Σ 11.3 0.0991 24.6 1.6460

1 3.5 0.0331 3.9 0.0510

2 5.4 0.0168 13.0 0.5640 3 5.0 0.0124 13.0 0.5640

Σ 13.9 0.0623 29.9 1.1790


.

35

4.00 8.50 EJEMPLO: Análisis del tránsito acumulado en ejes sencillos de 8.2 ton. Camino Tramo Sub tramo Origen DATOS: Tránsito inicial diario promedio anual : (TDPA)2 = 3800 Vida del proyecto del pavimento = 20 años Tasa de crecimiento anual = 6% Número de carriles = 2 Composición del tránsito: A = 52%, B = 12%, C = 36% a).- Determinación de los coeficientes combinados de daño Kc.

Vehículo Tipo Compos. % Coef. de daño Coef. prop. de daño z =o, Ko Kd Kop Kdp

Ap 32 0.004 0.00 0.0013 0.00 Ac 20 0.536 z =15 0.064 0.1072 0.0128 B-2 7 2.000 z =30 2.457 0.1400 0.1720 B-3 5 1.999 z =15 1.369 0.0999 0.0684 C-2 14 2.000 z =30 2.457 0.2800 0.3439 C-3 5 3.000 z =15 2.817 0.1500 0.1408

T2-S1 6 3.000 z =30 4.747 0.1800 0.2848 T2-S2 4 4.000 z =30 4.747 0.1600 0.2848 T3-S2 4 5.000 z =15 5.285 0.2000 0.2114 T3-S3 3 6.000 z =15 5.239 0.1800 0.1572

Kc 1.4984 = 1.5 1.581 = 1.58 b).- Determinación del tránsito acumulado ΣL.

Año

CAT

6 ΣLo x 10

6 ΣLd x 10


.

36

3 1,162 3.312 3.488 5 2,057 5.862 6.175

10 4,811 13.711 14.443 15 8,496 21.314 22.505 20 13,427 38.266 40.308 25 20,036 57.103 60.148

ΣLd = (ΣKdp )( 1900 )CAT = 3,002CAT ΣLo = (ΣKop )( 1900 )CAT = 2,850CAT Tabla de coeficientes de acumulación del tránsito (CAT)

Tasa de coeficientes de Acumulación de Tránsito ( CAT) Año 0 2 4 5 6 8 10 12 14 15

3 1095 1117 1139 1151 1162 1185 1208 1232 1255 1267 5 1825 1899 1977 2017 2057 2141 2228 2319 2413 2461 10 3650 3997 4382 4591 4811 5288 5817 6405 7058 7411 15 5475 6312 7309 7876 8496 9910 11597 13607 16002 1736720 7300 8868 10869 12069 13427 16703 20905 26299 33224 3739225 9125 11691 15201 17420 20036 26684 35897 48667 66383 77669

ΣLn = Kc x CAT X (TDPA)1


.

37

COEFICIENTES DE DAÑO A2 Automóvil.

3.00

A’2 Camión ligero con capacidad de carga de hasta 3 ton. 3.90

Peso en ton P dm =Coef.de daño carga max.

dv =Coef. de daño vació

conjunto Carga max.

vacía kg/cm² z=0 z=15 z=30 z=60 z=0 z=15 z=30 z=60

Caminos 1* 1.0 0.8 2.0 0.002 0.000 0.000 0.000 0.002 0.0 0.0 0.0 A,B,C 2* 1.0 1.8 2.0 0.002 0.000 0.000 0.000 0.002 0.0 0.0 0.0 Σ 2.0 1.6 0.004 0.000 0.000 0.000 0.004 0.0 0.0 0.0



conjunto carga max.


Caminos 1* 1.7 1.3 4.6 0.268 0.003 0.000 0.000 0.268 0.001 0.0 0.0

A,B,C 2* 3.8 1.2 4.6 0.268 0.061 0.023 0.015 0.268 0.001 0.0 0.0

Σ 5.5 2.5 0.536 0.064 0.023 0.015 0.536 0.002 0.0 0.0


.

38

B2 Autobús de 2 ejes 3.30 11.60



conjunto Carga max.

vacía kg/cm²

z=0 z=15 z=30 z=60 z=0 z=15 z=30 z=60

Cami- nos A

1* 5.5 3.5 5.8 1.0 0.349 0.167 0.119 1.0 0.079 0.001 0.010 2* 10.0 7.0 5.8 1.0 1.541 2.290 2.820 1.0 0.678 0.501 0.433 Σ 15.5 10.5 2.0 1.890 2.457 2.939 2.0 0.757 0.502 0.443

Cami- nos B

1* 5.0 3.5 5.8 1.0 0.261 0.106 0.071 1.0 0.079 0.001 0.10 2* 9.0 6.5 5.8 1.0 1.234 1.483 1.630 1.0 0.558 0.359 0.292 Σ 14.0 10.0 2.0 1.495 1.589 1.701 2.0 0.637 0.360 0.302

Cami- nos C

1* 4.0 3.0 5.8 1.0 1.126 0.002 0.021 1.0 0.044 0.009 0.004 2* 8.0 6.0 5.8 1.0 1.944 0.900 0.878 1.0 0.448 0.249 0.190 Σ 12.0 9.0 2.1 1.010 0.902 0.899 2.0 0.492 0.258 0.194

Cargas máximas de acuerdo con el proyecto de actualización del capitulo Xl del reglamento de explotación de caminos de la ley de vías generales de comunicación, SCT México, D.F. 1978.

B3 AUTOBÚS DE 3 EJES.

1 3.70 12.00



conjunto Carga max.

vacía kg/cm²

z=0 z=15 z=30 z=60 z=0 z=15 z=30 z=60

Cami- nos A

1* 5.5 4.0 5.4 0.666 0.286 0.155 0.116 0.666 0.107 0.034 0.021 2** 14.0 8.0 5.4 1.333 1.083 0.722 0.735 1.333 0.214 0.057 0.037 Σ 19.5 12.0 1.999 1.369 0.877 0.852 1.999 0.321 0.091 0.058

Cami- nos B

1* 5.0 4.0 5.4 0.666 0.216 0.099 0.070 0.666 0.107 0.034 0.021 2** 14.0 7.5 5.4 1.333 1.083 0.722 0.735 1.333 0.172 0.042 0.026 Σ 19.0 11.5 1.999 1.299 0.821 0.805 1.999 0.279 0.076 0.047

Cami- nos C

1* 4.0 3.5 5.4 0.666 0.107 0.034 0.021 0.666 0.068 0.018 0.010 2** 14.0 7.5 5.4 1.333 1.083 0.722 0.735 1.333 0.172 0.042 0.026 Σ 18.0 11.0 1.999 1.019 0.756 0.756 1.999 0.240 0.060 0.036


.

39

B4 AUTOBUS DE 4 EJES 3.70 13.25



conjunto Carga max.

vacía kg/cm²

z=0 z=15 z=30 z=60 z=0 z=15 z=30 z=60

Cami- nos A

1** 7.0 5.0 5.4 1.333 0.136 0.030 0.018 1.333 0.038 0.006 0.003 2** 14.0 8.0 5.4 1.333 1.083 0.752 0.735 1.333 0.214 0.057 0.037 Σ 21.0 13.0 2.666 1.219 0.752 0.753 2.666 0.252 0.063 0.040

Cami- nos B

1** 7.0 5.0 5.4 1.333 0.136 0.030 0.018 1.333 0.038 0.006 0.003 2** 14.0 8.0 5.4 1.333 1.083 0.752 0.735 1.333 0.214 0.057 0.037 Σ 21.0 13.0 2.666 1.219 0.752 0.753 2.666 0.252 0.063 0.040

Cami- nos C

1** 7.0 5.0 5.4 1.333 0.136 0.030 0.018 1.333 0.038 0.006 0.003 2** 14.0 8.0 5.4 1.333 10.83 0.752 0.735 1.333 0.214 0.057 0.037 Σ 21.0 13.0 2.666 1.219 0.752 0.753 2.666 0.252 0.063 0.040

C2 CAMIÓN DE 2 EJES 4.15 12.20



conjunto Carga max.

vacía kg/cm²

z=0 z=15 z=30 z=60 z=0 z=15 z=30 z=60

Cami- nos A

1* 5.5 3.5 5.8 1.000 0.349 0.167 0.119 1.000 0.079 0.019 0.010 2* 10.0 3.0 5.8 1.000 1.541 2.290 2.820 1.000 0.044 0.009 0.004 Σ 15.5 6.5 2.000 1.890 2.457 2.939 2.000 0.123 0.028 0.014

Cami- nos B

1* 5.0 3.0 5.8 1.000 0.261 0.106 0.071 1.000 0.044 0.009 0.004 2* 9.0 3.0 5.8 1.000 1.234 1.483 1.630 1.000 0.044 0.009 0.004 Σ 14.0 6.0 2.000 1.495 1.589 1.701 2.000 0.088 0.018 0.008

Cami- nos C

1* 4.0 2.5 5.8 1.000 0.126 0.036 0.021 1.000 0.022 0.003 0.002 2* 8.0 2.5 5.8 1.000 0.944 0.900 0.878 1.000 0.022 0.003 0.002 Σ 12.0 5.0 2.000 1.070 0.936 0.899 2.000 0.044 0.006 0.004


.

40




conjunto Carga max.

vacía kg/cm²

z=0 z=15 z=30 z=60 z=0 z=15 z=30 z=60

Cami- nos A

1* 5.5 4.0 5.8 1.000 0.349 0.167 0.119 1.000 0.126 0.036 0.021 2* 18.0 4.5 5.8 2.000 2.468 2.290 2.821 2.000 0.028 0.003 0.002 Σ 23.5 8.5 3.000 2.817 2.457 2.940 3.000 0.154 0.039 0.023

Cami- nos B

1* 5.0 3.8 5.8 1.000 0.261 0.106 0.071 1.000 0.106 0.028 0.016 2* 15.0 4.2 5.8 2.000 1.615 1.072 1.089 2.000 0.021 0.002 0.001 Σ 20.0 8.0 3.000 1.876 1.178 1.160 3.000 0.127 0.030 0.017

Cami- nos C

1* 4.0 3.5 5.8 0.666 0.107 0.034 0.021 1.000 0.068 0.018 0.010 2* 14.0 4.0 5.8 1.333 1.083 0.722 0.735 2.000 0.015 0.002 0.001 Σ 18.0 7.5 1.999 1.190 0.756 0.756 3.000 0.083 0.020 0.011




conjunto Carga max.

vacía kg/cm²

z=0 z=15 z=30 z=60 z=0 z=15 z=30 z=60

Cami- nos A

1* 5.5 4.5 5.8 1.000 0.349 0.167 0.119 1.000 0.187 0.034 0.040 2*** 22.5 8.0 5.8 3.000 2.422 2.289 2.818 3.000 0.084 0.020 0.011 Σ 28.5 12.5 4.000 2.771 2.456 2.937 4.000 0.271 0.084 0.051


.

41

T2-S1 TRACTOR DE 2 EJES CON SEMIREMOLQUE DE 1 EJE 12.20 4.15 17.0

Peso en ton P dm =Coef. de daño carga max.


conjunt

Carga max.

vacía

kg/cm² z=0 z=15 z=30 z=60 z=0 z=15 z=30 z=60

Cami- nos A

1* 5.5 3.2 5.8 1.00 0.349 0.167 0.119 1.00 0.057 0.012 0.006 2* 10.0 3.4 5.8 1.00 1.541 2.290 2.820 1.00 0.071 0.016 0.009 3* 10.0 3.4 5.8 1.00 1.541 2.290 2.820 1.00 0.071 0.016 0.009 Σ 25.5 10.0 3.00 3.431 4.747 5.759 3.00 0.199 0.044 0.024

Cami- nos B

1* 5.5 3.0 5.8 1.00 0.261 0.106 0.071 1.00 0.044 0.009 0.004 2* 9.0 3.0 5.8 1.00 1.234 1.483 1.630 1.00 0.044 0.009 0.004 3* 9.0 3.0 5.8 1.00 1.234 1.483 1.630 1.00 0.044 0.009 0.004 Σ 23.0 9.0 3.00 2.729 3.072 3.331 3.00 0.132 0.027 0.012

T2-S2 TRACTOR DE 2 EJES CON SEMIREMOLQUE DE 2 EJES 12.20 4.15 17.0



conjunt

Carga max.

vacía

kg/cm² z=0 z=15 z=30 z=60 z=0 z=15 z=30 z=60

Cami- nos A

1* 5.5 4.0 5.8 1.00 0.349 0.167 0.119 1.00 0.126 0.036 0.021 2* 10.0 3.5 5.8 1.00 1.541 2.290 2.820 1.00 0.079 0.019 0.010 3** 18.0 4.0 5.8 2.00 2.468 2.290 2.821 2.00 0.017 0.002 0.001 Σ 33.5 11.5 4.00 4.358 4.747 5.760 4.00 0.222 0.057 0.032

Cami- nos B

1* 5.0 3.4 5.8 1.00 0.261 0.106 0.071 1.00 0.071 0.016 0.009 2* 9.0 3.4 5.8 1.00 1.234 1.483 1.630 1.00 0.071 0.016 0.009 3** 15.5 3.7 5.8 2.00 1.615 1.072 1.089 2.00 0.012 0.001 0.001 Σ 29.0 10.5 4.00 3.110 2.661 2.790 4.00 0.154 0.033 0.019


.

42

T3-S2 TRACTOR DE 2 EJES CON

SEMIREMOLQUE DE 2 EJE 12.20 4.15 17.0



conjunt

Carga max.

vacía

kg/cm² z=0 z=15 z=30 z=60 z=0 z=15 z=30 z=60

Cami- nos A

1* 5.5 4.0 5.8 1.00 0.349 0.167 0.119 1.00 0.126 0.036 0.021 2** 18.0 4.0 5.8 2.00 2.468 2.290 2.821 2.00 0.017 0.002 0.001 3** 18.0 4.0 5.8 2.00 2.468 2.290 2.821 2.00 0.017 0.002 0.001 Σ 41.5 12.0 5.00 5.285 4.747 5.761 5.00 0.160 0.040 0.023

Cami- nos B

1* 5.0 3.5 5.8 1.00 0.261 0.106 0.071 1.00 0.079 0.019 0.010 2** 15.0 4.0 5.8 2.00 1.615 1.072 1.089 2.00 0.071 0.002 0.001 3** 15.0 1.0 5.8 2.00 1.615 1.072 1.089 2.00 0.017 0.002 0.001 Σ 35.0 11.5 5.00 3.491 2.250 2.249 5.00 0.113 0.023 0.012

T3-S3 TRACTOR DE 3 EJES CON

SEMIREMOLQUE DE 3 EJES 12.20 4.15 17.0



conjunto carga max.


Camino A

1* 5.5 4.0 5.8 1.00 0.349 0.167 0.119 1.00 0.126 0.036 0.0212*** 18.0 4.0 5.8 2.00 2.468 2.290 2.821 2.00 0.017 0.002 0.0013*** 22.5 5.0 5.8 3.00 2.422 2.289 2.818 3.00 0.011 0.002 0.001Σ 46.0 13.0 6.00 5.239 4.746 5.758 6.00 0.154 0.040 0.023


.

43

C2-R2 CAMIÓN DE 2 EJES CON

SEMIREMOLQUE DE 2 EJES 12.20 8.25 4.15 22.0



conjunto carga max.


Camino A

1* 5.5 3.5 5.8 1.00 0.349 0.167 0.119 1.00 0.079 0.019 0.0102* 10.0 3.0 5.8 1.00 1.541 2.290 2.820 1.00 0.044 0.009 0.0043* 10.0 2.0 5.8 1.00 1.541 2.290 2.820 1.00 0.009 0.001 0.0004* 10.0 2.0 5.8 1.00 1.541 2.290 2.820 1.00 0.009 0.001 0.000Σ 35.5 10.5 4.00 4.972 7.037 8.579 4.00 0.141 0.030 0.014

* EJE SENCILLO ** EJE TANDEM *** EJE TRIPLE


.

44

3. INFLUENCIA DE LOS MATERIALES.

Como ya se ha mencionado, la carpeta bituminosa está formada por una mezcla de agregados pétreos y un aglutinamiento asfáltico, que constituye la superficie de rodamiento, bajo la cual se tienen las carpetas de base y sub-base formadas por suelo granular aunque la sub-base sea de menor calidad, ya que puede tener mayor contenido de finos y menor exigencia en lo que se refiere a granulometría. Bajo la sub-base viene la capa de subrasante y por ultimo la terracería que se trata casi siempre mecánicamente, por lo menos en cuanto a la compactación.

La resistencia al esfuerzo cortante no es un requisito fundamental en la terracerías ya que los niveles de esfuerzo a la que a ellas llegan son muy pequeños. La deformabilidad es el requisito básico para la aceptación o rechazo de un material de terracería ya que está condicionada el buen comportamiento del pavimento. Desde el punto de vista son fundamentales los conceptos que contribuyen a que el material de terracerías sea poco sobre todo en dos casos extremos, que corresponden a los materiales que tienen gran abundancia de fragmentos grandes y a los materiales que tienen predominio de los tamaños más pequeños que es común encontrar en los suelos. Los materiales en que predominan los fragmentos grandes y medianos son deformables estructuralmente hablando, por las dificultades constructivas que suele tenerse para darles el necesario acomodo, que hacen que en muchas ocasiones se cometan grandes descuidos durante la construcción. Este problema se acentúa si el terraplén es de muy poca altura, por lo que se especifica un colchón mínimo de suelo que cubra a los fragmentos gruesos. Problemas en los pavimentos se tienen cuando las terracerías están formadas por los suelos compresibles y arcillosos. Muchos suelos MH y CH presentan características de deformabilidad tan desfavorables que su uso puede eliminarse. Por ejemplo la Secretaría de Obras Publicas de México, prohíbe el uso en el cuerpo de terraplén de los materiales MH, OH y CH, cuando su límite líquido es mayor de 100%. También prohíbe el uso de los suelos órganos Pt. Otros problemas en los pavimentos son las condiciones del clima, drenaje y sub-drenaje, geometría del terraplén, topografía del lugar, etc. Una terracería deformable obligará el uso de pavimentos de gran espesor, que logren que los esfuerzos transmitidos lleguen a niveles suficientemente bajos, por lo que si se toma en cuenta la deformabilidad en el diseño del pavimento, este será antieconómico ya que cuesta más el material del pavimento que el de la terracería; pero si la deformabilidad no se toma lo suficientemente en cuenta en el diseño del pavimento, como tantas veces ocurre, nunca se tendrá un pavimento con buen comportamiento en ese lugar por mejor que se conserve y por mucho que se reconstruya.


.

45

3.1. PRUEBAS QUE SE REALIZAN EN LOS MATERIALES QUE SE VAN A UTILIZAR EN UN PAVIMENTO.

PRUEBAS EN MATERIALES: a) CLASIFICACIÓN b) CONTROL.

c) PROYECTO. a).- PRUEBAS DE CLASIFICACIÓN. a.1).- Granulometría. a.2).- Plasticidad. a.3).- Resistencia. a.4).- Proctor estándar. a.5).- Porter. a.6).- VRS. a.7).- Expansión. a.8).- Valor cementante. a.9).- Adherencia con el asfalto.

Estas pruebas nos permiten saber las características de los materiales y así determinar en que capa del pavimento se puede emplear. b).- PRUEBAS DE CONTROL. Son las que nos sirven para verificar la calidad de la construcción, algunas son de clasificación.

Estas pruebas son básicamente las de COMPACTACIÓN, como son: Pesos volumétricos en el lugar, verificación del grado de compactación en el campo.

c).- PRUEBAS PARA EL PROYECTO. Nos sirven para dimensionar las capas de la estructura vial.

c.1).- Prueba del valor relativo de soporte (VRS).- CBR* c.2).- Prueba de placa. Pavimentos rígidos.

CBR (California Bearing Ratio). A): ALGUNAS PRUEBAS DE CLASIFICACIÓN. A.1).- GRANULOMETRÍA. Curva granulométrica: Continua (suelo bien graduado). Discontinua (suelo mal graduado).

Mal graduada % Que pasa Bien graduada

Diámetro en mm.


.

46

Mallas: Son los instrumentos que nos permiten separar las partículas por tamaños.

Cuando la denominación de las mallas es en pulgadas significa la abertura de la malla o sea la distancia entre dos alambres.

¾”

Cuando son números se refiere a la cantidad de huecos que se tiene en una pulgada. No 4 1”

1”

A.2).- PLASTICIDAD. Los materiales que componen las diferentes capas del pavimento deben tener ciertas

características de plasticidad para poderse utilizar. LIMITES DE ATERBERG. Son contenidos e agua que nos limitan los estados de consistencia de un material. Liquido L.L. Semilíquido (viscoso) LIMITE LIQUIDO L.P Plástico. LIMITE PLÁSTICO. L.C Semi- sólido. LIMITE DE CONTRACCIÓN. Sólido. L.L Es el contenido de agua para el cual la ranura cierra ½” a los 25 golpes en la Copa de

Casa grande. L.P. Es el contenido del agua del suelo o material para el cual se agrietan los rollitos a los

3 mm de diámetro. L.C. Es el contenido de agua que necesita un suelo o material para llenar sus huecos e agua

cuando de encuentra en el estado sólido, secado con la humedad inicial de LL. ÍNDICE PLÁSTICO. IP = LL – LP


.

47

PRUEBA DE CONTRACCIÓN LINEAL. (CL). Se llena una cápsula rectangular en 3 capas, con el material cuando este se encuentra en el

LL, expulsando el aire atrapado. Se seca a la intemperie y posteriormente en el horno. La deformación unitaria en porciento será la contracción lineal:

CL = (Li – Lf ) 100 10 Li 2 2 Lf Li

Formula aproximada: IP = 2.5 a CL De acuerdo con el valor de contracción lineal puede aceptarse o rechazarse el material. A.3).- PRUEBAS DE RESISTENCIA. A.3.1).- TRIAXIAL. Nos da una C y φ (Cohesión y ángulo de fricción interna del material) ó sea la ley de

resistencia del material: τ = C + σtg φ Nos sirve para determinar la capacidad de carga del terreno. A.4).- PROCTOR ESTÁNDAR. (Material que pasa la malla No 4). Es una prueba por impacto y trata de reproducir la compactación del suelo en el campo mediante rodillos pata de cabra. Procedimiento.

- Se llena el molde en 3 capas con 25 golpes por capa. - Se determina el peso del material que llena el molde Wm. - Se determina el contenido del agua de la muestra. - El volumen del molde será el volumen de la muestra.

Lo anterior se repite cuatro veces mas con contenido de agua mayores. Se traza la grafica, peso volumétrico seco contra contenido de agua, de la cual se obtiene el PVS Máximo y el contenido de agua optimo:

Medidas del molde proctor. Suelos cohesivos. Collarín. 6 cm 11.5 cm

10.2 cm


.

48

Curva de saturación γm = Wm γd2 Vm γd3 γd4 γd = γ ( m ) γd1 1 + w γd = Ss W1 W2 W3 W4 W% 1+ wSs Wópt.

Con el γdmax se puede determinar el Grado de compactación del terreno o de la capa, mediante un sondeo de la siguiente manera:

γm = Wm

Vm Vm

Wm γd campo = γ m 1 + w

Variable 15 cm 15 cm

Grado de compactación del material %C = (γd campo ) 100 γd max La energía de compactación aplicada en la prueba Proctor resulta en muchos casos,

insuficiente, dado el equipo moderno que se realiza en la compactación de campo , por la cual se ha desarrollado la prueba Proctor Modificada, la cual es similar a la estándar solo que el molde se llena en 5 capas y se dan 25 golpes/capa con un martillo de 4.54 kg y se deja caer a una altura de 46 cm.


.

49

A.5).- PRUEBA PORTER ESTÁNDAR. Esta prueba se utiliza en suelos con partículas que pasan la malla de 1” (muestra total 16

kg.) OBJETIVOS: *Determinar el PVSM que puede alcanzar el material bajo un esfuerzo de

140 kg/cm², así como su humedad optima a la cual debe compactarse. *Determinar el grado de compactación alcanzado por el material que forma parte de una

terracería, sub-base, base de un pavimento. MOLDE

Collarín.

5.7 cm

20.32 cm 12.47 cm D = 15.75 cm D La carga aplicada es de tipo estático, que puede compararse con el tipo de compactación

que producen los rodillos lisos o neumáticos, es decir como compactación que va de la superficie hacia abajo. Este tipo de compactación es semejante a la de impactos, por lo que se pueden emplear los mismos conceptos de prueba Próctor.

Procedimiento:

- Se llena el molde en 3 capas varilladas cada una con 25 golpes, con el material cribado con la malla de 1” y con una cierta humedad (4 kg).

- Se aplica el esfuerzo de 140.6 kg/cm² (en un tiempo de 5 minutos), el cual se mantiene durante un minuto, se descarga lentamente en el siguiente minuto. El material tendrá su humedad optima si por la base del molde se expulsó una gota o si la placa está ligeramente húmeda.

27,392 kg.

Después d la carga P d W opt Vm PVSM h Wm Donde: d = deformación

h = nueva altura γm = Wm Vm


.

50

γd máx. = PVSM = γ d 1 + w Nota* Esta prueba se realiza en suelos que pasan la malla de 1” o suelos finos no cohesivos como arenas de río o mina, arenas producto de trituración, tezontles francamente arenosos y en general materiales que carezcan de cementación. En caso de que no se humedezca la placa, a otra muestra de 4 kg . se le agrega 80 cm3 de agua mas que el punto anterior y así sucesivamente hasta que La placa se humedezca o se expulse una gota de agua al aplicar la carga. A.6).- PRUEBA DE VALOR RELATIVO DE SOPORTE.

Existen diferentes variantes de VRS; de acuerdo con las condiciones de campo que se

tengan. OBJETIVO.- Determinar la calidad e los suelos en cuanto a su valor de soporte, midiendo la resistencia a la penetración del suelo compactado y sujetado a un determinado periodo de saturación y así poder determinar el espesor mínimo de la capa o capas que deberán de colocarse encima del material estudiado (suelo natural, terracerías o sub- base), con el fin de que las cargas no produzcan esfuerzos que puedan ocasionar deformaciones permanentes perjudiciales. Estas pruebas deberán verificarse siempre en las condiciones de humedad cercanas a las mas desfavorables que se considere pueda alcanzar el material para una compactación dada.

A.6.1).- PRUEBA ESTÁNDAR DE VALOR RELATIVO DE SOPORTE. (PRUEBA DE

CALIFORNIA O PORTER). La prueba se realiza con una muestra tamizada con la malla de 1”, cuando el material

retenido en esta malla es menor que 15%, cuando excede del 15% se sustituye ese retenido por una cantidad igual en peso de material pétreo que pase por la malla de 1” y se retenga en la No. 4 tomada de otra muestra.

La prueba consiste en determinar la resistencia a la penetración de un espécimen

compactado a su peso volumétrico seco máximo y su humedad óptima obtenidos bajo una carga estática de 140.6 kg/cm² y fabricado en un molde PORTER. El espécimen se penetra después de haber sido saturado en el agua hasta lograr su máxima expansión, generalmente de 3 a 5 días.

El espécimen se satura colocándole en la parte superior papel filtro, una placa perforada,

dos placas de agua y un tripie con extensómetro para medir la expansión. Se registra la lectura inicial y la final (cuando ya no hay expansión). La diferencia de la

lectura inicial y de la final del extensómetro, expresada en milímetros se divide entre la altura del espécimen antes de saturarlo expresado en porciento nos proporciona el valor de la expansión.

Carga


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Extensómetro 12.75 E2

% Expansión = (E2 – E1) 100 E1 E1 El molde se saca del agua, se escurre durante 3 minutos y se procede a penetrarlo, con una

velocidad de 1.27 mm por minuto, dando inicialmente una carga de 10 kgs. Se anotan las cargas aplicadas por una maquina de compresión, las cuales se determinan mediante la deformación de un anillo calibrado. Fig. B

Se realizan 7 lecturas como se indican en el siguiente cuadro:

Aplicación Tiempo (min) Penetraciones (mm) Penetraciones (plg)

Cargas registradas (kg)

1a 1 1.27 0.05 2a 2 2.54 0.10 3a 3 3.81 0.15 4a 4 5.08 0.20 5a 6 7.62 0.30 6a 8 10.16 0.40 7a 10 12.70 0.50

La carga registrada para la penetración de 2.54 mm expresada como un porcentaje de la

carga estándar de 1,360 kgs. es el VRS de la muestra ensayada: VRS = Resistencia a la penetración suelo en estudio x 100 Resistencia a la penetración del suelo estándar. En el laboratorio de la universidad Michoacana :

VRS = Lectura del anillo (K) x 100 1,360 Donde: K = Constante del anillo = 3.32


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Con los valores obtenidos en las 7 penetraciones se puede realizar una grafica de penetraciones en mm- carga en kg. y así poder clasificar el material de acuerdo a la zona en que quede en la grafica. 100% 7 Base muy buena 80% 6 Base buena (grava) 50% 5 Sub- base buena Carga 30% (kg) 4 Subrasante Muy buena 20% 3 Subrasante Regular a Buena 10%

2 Subrasante Mala 5%

1 Subrasante Muy Mala Penetración(mm) O se puede clasificar solamente considerando la carga en la segunda penetración, con al siguiente tabla:

Zona VRS Clasificación

1 0 – 5 Subrasante Muy Mala 2 5 – 10 Subrasante Mala 3 10 – 20 Subrasante Regular a Buena 4 20 – 30 Subrasante Muy buena 5 30 – 50 Sub- base buena 6 50 – 80 Base buena 7 80 – 100 Base muy buena

Nota* El material estándar es una caliza triturada.


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A.6.2).-PRUEBA MODIFICADA DE VALOR RELATIVO DE SOPORTE PARA DIFERENTES GRADOS DE COMPACTACIÓN. OBJETIVO: Hacer la determinación del VRS de un material para calcularse los espesores mínimos de capas que deberán colocarse encima del material estudiado.

Collarín (molde para VRS).

7.62 cm

12.75 cm D = 15.75 cm D La prueba se puede realizar con el material que pasa la malla No. 4 o la de 1”, es decir en

suelos finos o gruesos. Preparación de la muestra con el material que pasa la malla No. 4.- El retenido de la malla

No.4 debe ser menor del 10% pero debe pasar totalmente por la malla de 3/8”. El retenido en la malla No. 4 (una vez disgregado el material) se pesa y se incorpora al reto de la muestra.

Preparación de la muestra con el material que pasa la malla de 1”. Si el retenido en esta malla es menor del 15%, se desecha ese retenido. Si es mas del 15%,

se sustituye ese retenido por una cantidad igual en paso del material pétreo que pase la malla de 1” y de retenga en la No.4, el cual se toma de otra muestra.

OBJETIVO: Consiste en medir le resistencia a la penetración en especimenes de material que ha sido compactado para reproducir los pesos volumétricos que corresponden a diferentes grados de compactación empleando las humedades que se indican en la tabla siguiente:

Grado de compactación Buen drenaje y precipitación baja a media

Drenaje deficiente y precipitación media o alta.

100 Wopt. Wopt

95 Wopt Wopt + 1.5

90 – 75 Wopt Wopt + 3.0

PROCEDIMIENTO: 1).- Se determina el grado de compactación del materia, su humedad optima y su PVSM

mediante una prueba Proctor o Porter según si el material es cohesivo o friccionante. 2).- Se determina la humedad actual que tiene el material en el laboratorio y se anota como

W1.


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3).- Se determina la cantidad de agua por agregar para llevar la muestra a la humedad de

prueba, con la formula: Agua por agregar en cm3 = (W2 – W1) K 100 + W1 Donde: K = Cantidad en grs. con humedad W1 (5 kgs). W1 = Humedad que contiene el material. W2 = Humedad a que debe hacerse la prueba correspondiente al grado de

compactación que se desea reproducir (Entre Wo – Wo + 3). 4).- Se determina la cantidad de material húmedo que deberá emplearse y compactarse en

el molde, con la formula: Pw = γs (100 + W2)V = γs (100 + W2) π d²h 1000 100 1000 100 4

γs = γd max (%C)

Donde: Pw = Pesos del material húmedo, en grs. Con la humedad de prueba. γs = Peso volumétrico seco suelto en kg/m3 correspondiente al grado de compactación que

se desea reproducir. W2 = Humedad a que deberá hacerse la prueba. d = Diámetro interior del cilindro, en cm. h = Altura en cm, que deberá de tener el material compactado, e igual a la altura del

cilindra sin extensión. 5).- Se llena el molde con el collarín puesto en 3 capas varillando cada una 25 veces, para

acomodar el material. 6).- Se coloca el molde en la maquina de compresión y y se compacta lentamente mediante

una carga uniforme hasta alcanzar la altura h prefijada: P

a = ht – (h + e) a e ht h


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7).- Se pone a saturar la muestra hasta que alcance su máxima expansión. Se deja escurrir

durante 3 minutos. 8).- Se colocan las placas que contienen un orificio central por donde pasa la aguja de

penetración. 9).- Se da una carga igual de 10 kgs., se ajusta el extensómetro para medir la deformación

vertical y se realizan las penetraciones dela manera indicada en la prueba anterior. 10).- El VRS para ese grado de compactación será la carga registrada para la penetración

de 2.54 mm expresada en porciento con relación a la resistencia estándar de 1,360 kg. VRS = Carga en la 2a penetración x 100 1,360

a.7).- PRUEBA DE EXPANSIÓN

Nota* Ya se vio en la prueba del VRS. a.8).- PRUEBA DE VALOR CEMENTANTE. OBJETIVO: Esta prueba tiene por objeto determinar el poder de cementación de un suelo

fino y de la fracción que pasa la malla No. 4 de un suelo granular compactado y seco. El valor cementante depende de la forma y acomodo de las partículas, así como su rugosidad y plasticidad de los finos. Es de desearse que los suelos tengan un cierto valor cementante, pero no muy alto, ya que esto significa exceso de arcilla, condición que es poca deseable en un pavimento.

Molde de lamina 7.6 cm

50 cm 10 cm Placa metálica Guía de tubo Varilla 7.6 metálica de 900 g rs.


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PROCEDIMIENTO:.

a) .- Se preparan 3 kg. de material que pasa la malla No. 4. b) .- Se la adiciona agua hasta alcanzar la humedad optima. c) .- Se llena el molde en 3 capas, dando 25 golpes a cada capa desde una altura de caída de

50 cm. d) .- Se realizan 3 especimenes. e) .- Se sacan del molde y se secan totalmente. f) .- El valor cementante es el procedimiento de la resistencia a la compresión sin confinar en

kg/ cm², obtenida en los 3 especimenes.

Valor cementante = P ultima kg/cm² Área A.9).- ADHERENCIA O AFINIDAD CON EL ASFALTO Y EL MATERIAL PÉTREO.

Los materiales de base y carpeta asfáltica deben cumplir con las especificaciones

correspondientes a la adherencia. Estas pruebas nos sirven para conocer si entre el grado pétreo y la película de asfalto que lo

cubre existe una liga que permita condiciones de estabilidad satisfactorias. La determinación de esta propiedad es importante para prever el comportamiento de las capas asfálticas de pavimento, al estar expuestas al tránsito aún bajo condiciones adversas de humedad.

El agua ataca a la adherencia, por lo que es un buen elemento para saber si existe o no

adherencia del material pétreo con asfalto. Las pruebas que se realizan para conocer la adherencia con el asfalto son: Prueba de desprendimiento por fricción. Prueba de pérdida de estabilidad por inmersión en el agua. Prueba de cubrimiento con asfalto (método ingles). A.9.1).- PRUEBA DE DESPRENDIMIENTO POR FRICCIÓN PROCEDIMIENTO: Se coloca un frasco, una mezcla de un material pétreo y asfalto ( que cubra completamente

las partículas). Se llena con agua las ¾ partes de un frasco y se deja saturar durante 24 hrs. Posteriormente se agita el frasco durante ½ hrs., se saca la muestra y s deja escurrir. Se coloca en un pedazo de papel y se observa en forma visual el desplazamiento del asfalto de material pétreo. Ese desprendimiento expresado en porcentaje de la superficie total se reporta. Si el porcentaje es


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menor del 10% se trata de un material con buena adherencia con el asfalto y si es mayor del

25% tiene baja adherencia con el asfalto. El porcentaje máximo permitido debe ser el 25%. A.9.1).- PRUEBA DE PERDIDA DE ESTABILIDAD POR INMERSIÓN EN EL AGUA. Esta prueba se aplica a mezclas asfálticas compactadas y sirve para determinar la perdida

de estabilidad que sufren al ser sometidos a un proceso de saturación de agua. El valor numérico de la perdida de estabilidad se obtiene relacionando entre si, la resistencia a la compresión de especimenes curados que han sido sumergidos en agua, con sus respectivos duplicados de especimenes curados en el horno, que se prueban sin someterse al proceso de inmersión.

La perdida de estabilidad por inmersión en agua, se calcula utilizando la formula: PE = R1 – R2 x 100 R1 Donde: PE = Pérdida de estabilidad en porciento. R1 = Resistencia promedio a la compresión de los especimenes sin saturar (kg/cm²). R2 = Resistencia promedio a la compresión de los especimenes sometidos a

saturación (kg/ cm²). Si la pérdida es menor del 25% se considera que el material tiene una estabilidad

satisfactoria y en caso de que sea mayor, será necesario aumentarla por algún procedimiento adecuado.

A.9.3).- PRUEBA DE CUBRIMIENTO CON ASFALTO ( MÉTODO INGLES). Esta prueba tiene por objeto determinar la facilidad con la que la película de un producto

asfáltico rebajado se adhiere a un agregado pétreo en presencia del agua. Se usan partículas retenidas en la malla de ½“.

Los resultados de esta prueba son estimativos y permiten juzgar la susceptibilidad a las

fallas por adherencia, producidos por el agua en carpetas de riegos, tratamientos asfálticos y mezclas asfálticas.

Para efectuarse esta prueba se pesa y se distribuye en el fondo de la charola, de 115 a 20

grs. de producto asfáltico, para formar una película de aglutinante de 1.5 mm de espesor y se calienta a la temperatura que represente las condiciones de la obra durante la construcción o bien a 20 °C cuando se utilicen aditivos. Se sumerge la charola en un baño o en un dispositivo similar, de manera que se tenga un tirante de agua de 25mm sobre el nivel de la película de asfalto. Se coloca con la mano las partículas de material pétreo, presionándolas ligeramente y uniformemente al apoyarlos sobre la película durante un lapso de 10 min. A continuación se saca la charola del baño, se toma con la mano las partículas de material pétreo y se coloca sobre una hoja de papel blanco o una cápsula de


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cristal de tal manera que pueda observárseles la superficie que haya estado en contacto con el asfalto.

Se estima visualmente la superficie cubierta con asfalto y se expresa en porciento de la superficie total del agregado que se considere haya estado en contacto con el asfalto; este porcentaje será el de cubrimiento.

A.9.4).- PRUEBA DE DESGASTE DE LOS ÁNGELES. Sirve para conocer el desgaste que tienen los agregados pétreos que se emplean en la

construcción de mezclas asfálticas, riegos de sello, etc., para lo cual dicha agregados, secos y con una graduación determinada, se introducen en el cilindro de la maquina de los ÁNGELES, junto con esferas metálicas, para someterlos a un proceso de rotación, produciéndose entre las esferas y el material, cargas abrasivas y de impacto. Este procedimiento también puede utilizarse en la comprobación del desgaste de los agregados pétreo ligeros y de los que forman obras construidas; los valores de desgaste obtenidos dan idea del grado de alteración alcanzado por los agregados, de su resistencia estructural y de la presencia de los planos de debilitamiento, partículas en forma de lajas y agujas, que pedan ocasionar fallas.

El porcentaje de desgaste del agregado pétreo, deberá de calcularse con la siguiente expresión:

D = Wi – Wf x 100 Wi Donde: D = Desgaste del material pétreo en porciento.

Wi = Peso inicial de la muestra de prueba, en grs. la cual se retiene 100% en la malla No 12

Wf = Peso final de la muestra de prueba, en grs. después de quitarle, cribando por la malla No 12, los finos producidos durante el ensaye.

Para esta prueba se utilizan 6 esferas de hierro de 4.76 cm. La maquina de los ángeles es un cilindro de acero hueco cerrado de ambos extremos de 71.1 cm (28”) de diámetro interior y de 50.3 cm. de longitud (20”). De 30 a 33 revoluciones por minuto. Esta prueba se la hace a materiales retenidos en las mallas 3”, 2 ½“, 2”, 1 ½“, ¾“, ½“, 3,4,8,12.

PROCEDIMIENTO: 1) .- La muestra se lava y se seca hasta peso constante. 2) .- Se reproduce mediante el cribado de mallas la granulometría que se va a utilizar en

la carpeta asfáltica. 3) .- Los trozos de roca deben triturarse para formar la granulometría deseada. 4) .- La muestra se pesa (Wi) y se coloca con las esferas en la maquina, la cual se hace

girar hasta completar el numero de revoluciones especificado (500 a 1000). 5) .- Se lava la muestra por la malla No 12 y el retenido se seca en el horno y se pesa

(Wf). 6) .- El porcentaje de desgaste se determina con la expresión siguiente:


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D = Wi – Wf x 100 Wi A.9.5).- PRUEBA DEL INTEMPERISMO ACELERADO. Con esta prueba se conoce el grado de alteración que sufren los materiales pétreos al estar

expuestos a la acción del intemperismo y se aplica a los que se utilizan en la construcción de carpetas, riegos de sello, balastos.

La prueba consiste en someter a los materiales pétreos a varios ciclos de saturación y

secado, efectuando la saturación en soluciones de sulfato de sodio o de magnesio; durante este proceso se producen en los agregados esfuerzos internos originados por la formación de cristales en sus huecos, los cuales provocan el agrietamiento y desmoronamiento de dichos agregados.

Los resultados de esta prueba se determinan en función de la cantidad de las partículas

desprendidas durante el proceso de saturación y secado, expresándose dichos resultados como porcentaje de las fracciones respetivas que constituyen las muestras originales de prueba.

PROCEDIMIENTO:

1) .- Se determina la composición granulométrica del material retenido en la malla No 4. 2) .- Las muestra de material de cada tamaño, secadas y separadas se colocan por separado

en charolas que tengan la solución saturada de sulfato de sodio o de magnesio durante 1/8 hrs. a 21°C.

3) .- Se sacan las muestras, se escurren y se secan hasta peso constante. Se deja enfriar y se colocan nuevamente en el recipiente con la solución. Lo anterior se repite 5 veces.

4) .- Se lavan las muestras y se secan hasta peso constante. 5) .- Cada muestra se criba sobre la malla inferior y se anota el peso del material retenido;

la diferencia de este peso con el original, expresado en porcentaje de este ultimo, representara la perdida por intemperismo de cada tamaño ensayado. Se calculará la perdida total por intemperismo acelerado del material grueso (retenido en la malla No 4), multiplicado por los porcentajes de cada tamaño ensayado, por la perdida determinada y dividiendo entre cien esos productos. La suma de ellos representará la perdida del material ensayado.

Lo anterior se ve en el siguiente ejemplo:

Granulometría de la muestra Peso de la fracción ensayada en grs.

Pérdida en 5 ciclos perdida en 5 ciclo expresada en función de la muestra total

Mallas %en peso Grs % No 4 a ½“ 18 300 33.6 11.2 (18x11.2)/100 = 2.2½“ a ¾“ 33 500 48.0 9.6 (33.9x9.6)/100=3.17¾“ a 1” 25 100 80.0 8.0 (25x8)/100 = 2.00

1” a 1 ½“ 20 1500 72.0 4.8 (20x 4.8)/100= 0.961 ½“ a 2” 4 4.8* (4x4.8)/100 = 0.19 Totales 100 8.34

• Se toma el valor de la fracción anterior.


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Esta prueba debe hacerse solamente cuando se tengan dudas a cerca de la calidad del

material que pretende emplearse en la elaboración de carpetas asfálticas. A.9.6).- PRUEBA DE EQUIVALENTE DE ARENA. OBJETIVO: Determinar cualitativamente hasta que grado se reduce la fricción interna de

los materiales por la presencia de las arcillas, al actuar como lubricantes, disminuyendo así la resistencia al esfuerzo cortante de los materiales.

Esta prueba se utiliza para materiales de base y sub. base. PROCEDIMIENTO: 1) .- Se introduce el suelo (tamizado por la malla No 4), en una probeta graduada.

Aproximadamente de 10 cm3 de muestra. 2) .- Se le agrega una solución de cloruro de calcio para favorecer la floculación, glicerina,

como estabilizante y formaldehído como estabilizador. 3) .-Se agita la probeta horizontalmente (después de 10 min. de saturación de la muestra )

90 ciclos por seg. con una carrera de 20 a 25 cm. 4) .- Se lava la muestra con un irrigador, para poner en suspensión los finos, hasta llenar la

probeta con la solución de trabajo. 5) .- Se deja reposar durante 10 minutos. 6) .- Se hacen las lecturas de arena y arcilla introduciendo un pisón. Nivel de la arcilla C Nivel de la arena S = lectura de arena

C = lectura de arcilla S EA = S x 100

C

A.9.7).- DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE DURABILIDAD. OBJETIVO: Medir la resistencia que oponen los materiales pétreos a degradarse, es decir a

producir finos perjudiciales, cuando están trabajando en la obra en ciertas condiciones de humedad.

Su valor se expresa en porcentaje que relaciona los volúmenes de la fracción que se

conserva gruesa y el de la fracción fina que s produce durante la prueba. Este valor se emplea para juzgar la calidad de los materiales para revestimientos, sub- base

y base del pavimento y definir su utilidad.


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PROCEDIMIENTO: La prueba consiste en someter una muestra de agregado pétreo, que tiene determinada

granulometría (sin finos) a un proceso de degradación por agitado en húmedo, después de lo cual s cuantifican los finos producidos, mediante un procedimiento semejante al de la prueba de equivalente de arena.

Para el material grueso, se obtendrán los valores del índice de durabilidad utilizando la

siguiente formula: Dg = 30.3 + 20.8 Cot[ (0.29+ 0.059)57.2958]

Donde: Dg = ID = Índice de durabilidad del material grueso. H = Altura de sedimento en cm. 57.2958 = Es el valor de grados en un radian. Para el material fino, se calcula el índice de durabilidad mediante la siguiente formula: Df = Lectura de arena x 100 Lectura de arcilla Donde: Df = Índice de durabilidad del material fino. Se reporta como índice den durabilidad el menor valor obtenido considerando tanto el

material grueso como el fino. B).- PRUEBAS DE CONTROL B.1).- TRATAMIENTOS DE LOS MATERIALES. Para que el material sea colocado en una capa de un camino, debe cumplir con ciertas

especificaciones. Si no las cumple en el estado natural, se le tiene que hacer ciertos tipos de tratamiento como son:

Disgregado. Cribado. Triturado. Compactación. Estabilización. Lavado. Conglomerado (ó cascajo).- Es una roca, sedimentaria de origen mecánico, se origina por la

acción mecánica posterior a la desintegración de la roca. Bloque aglomerado.- Roca ígnea extrusiva piro clástica. Originada por el enfriamiento

rápido del magma.


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Para saber los materiales que necesitan tratamiento y seleccionarlos, los podemos clasificar

de la siguiente manera: 1) .- Materiales que no requieren tratamiento. 2) .- Materiales que requieren ser disgregados. 3) .- Materiales que requieren se cribados. 4) .-Materiales que requieren ser triturados parcialmente y cribados. 1).- Los materiales que no requieren tratamiento son los poco o nada cohesivos, que al

extraerlos quedan sueltos y que no contienen mas del 5% de partículas mayores de 3”. Como por ejemplo puede mencionarse algunas gravas, arenas, limos.

2).- Los materiales que requieren ser disgregados son cohesivos (como tepetates, caliches, conglomerados, y aglomerados), así como las rocas muy alteradas, que al extraerlas resultan con terrones y una vez disgregados no contienen mas del 5% de partículas mayores de 3”. 3).- Los materiales que requieren ser cribados son los poco o nada cohesivos (como mezclas de gravas, arenas y limos)que al extraerlos quedan sueltos y contienen entre el 5% y 25% de material mayor de 3”.

4).- Los materiales que requieren ser triturados parcialmente y cribados, son los poco o nada cohesivos (como mezclas de gravas, arenas y limos) que la extraerlos quedan sueltos y contienen entre el 25 y 75 % de partículas mayores de 3”.

B.1.1).- DISGREGADO CRIBADO. La finalidad de estos procedimientos es obtener el tamaño máximo especificado para la

capa que se va a construir. El disgregado se utiliza para materiales suaves, tepetates o rocas alteradas. El disgregado se utiliza con rodillos lisos. Este procedimiento de disgregado se realiza siempre y cuando el desperdicio sea menor del 10%.

Se entiende por DESPERDICIO a todas aquellas partículas que su tamaño es mayor que el

especificado. Se tolera que le material exista hasta un 5% de partículas mayores al tamaño máximo.

Cuando existe un 15% de desperdicio se tiene que realizar cribado, para lo cual el tamaño

de la malla requiere ser un poco mayor que el del material, por ejemplo para un material de ¾“se requiere la malla de 1”.

Para el cribado se utilizan bandas de retroalimentación, cuando el volumen del cribado pasa

del 25% conviene que se realice una trituración.


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B.1.2).- TRITURACIÓN. Esta trituración se realiza por medios mecánicos. Cuando se trata de desperdicios entre el

25% y 40% se realiza un triturado parcial, es decir se criba primero el material por la malla adecuada y solamente se pasa por la trituradora el desperdicio (solo se paga el volumen que pasa por la trituradora). Cuando el material tiene un desperdicio mayor del 40% se realiza un triturado total.

Las trituradoras se dividen en vario tipos: De quijada, rodillo, cono, martillos (bolas y barras), molinos. Quijada: Consiste en dos placas mecánicas, una fija y otra móvil, la cual se acerca y tritura

el material. Rodillos: Está formada por rodillos metálicos giratorios. Cono: Son modernos molcajetes. Contienen un cono excéntrico interior que se mueve

triturándole material cuando se junta y lo deja pasar cuando se separa. Martillos: Golpeteo del material. Molinos: Sirven para obtener el material más fino posible. B.2).-CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES PARA TERRACERÍAS. La clasificación de los materiales que se emplean para la construcción de terracerías las

podemos considerar desde el punto de vista de su clasificación para presupuesto o de acuerdo a las características físicas según el resultado de los ensayes ya descritos.

Los materiales que se obtienen de los cortes, de acuerdo a la dificultad que representen para

su extracción y carga, se clasifican como material A, B, ó C. El material A es el blando o suelto, que puede ser excavado eficientemente con escrepa

como son los suelos poco o nada cementados, con partículas hasta de 3”. Suelos agrícolas, limosos y arenosos.

El material B es el que por su dificultad de extracción y carga, solo puede ser excavado

eficientemente por tractor de orugas con cuchilla, de 140 a 160 HP., sin usos de explosivos, aun que por conveniencia se utilicen para aumentar el rendimiento; o bien que pueda ser aflojado con arado de 6 ton, jalado con tractor de orugas. Se considera como material B las piedras sueltes de tamaño comprendido entre 7.5 y 75 cm,. Las rocas muy intemperizadas, conglomerados mediante cementados, areniscas blandas y tepetates son ejemplos de este tipo de material.

El material C es el que por su dificultad de extracción solo puede ser excavado mediante el

empleo de explosivos; también se consideran en este material las piedras mayores de 75 cm. Entere los materiales que se clasifican en este grupo se encuentran las rocas basálticas, areniscas y conglomerados fuertemente cementados, calizas, riolitas, granitos y andesitas sanas.


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Existen materiales que representan una dificultad de extracción mayor que los descritos

como material A pero que el de clasificación B, a estos materiales se les fijará una clasificación intermedia, de acuerdo con la dificultad que se presente para su extracción de carga, asignado valores expresados en porcentaje de material Ay B ó B y C.

Así por ejemplo un suelo poco o nada cementado con partículas menores de 3” se

clasificará como 100-00-00, correspondiendo el 1°, 2° y 3er., porcentaje a material A, B, ó C respectivamente; un material que represente una dificultad de extracción y carga mayor que la correspondiente al A pero menor que el B se clasificará como 50- 50-00; un material con clasificación 00-50-50 corresponde a uno que tiene una dificultad e extracción y carga intermedia entre los materiales tipificados como B ó C.

Desde el punto de vista del acomodo del material de la construcción este se clasifica en

material compactado ó bandeado.

B.3) .- CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES DE BASES Y SUB- BASES (EN

CUANTO A SU RELACIÓN Y TRATAMIENTO). Los materiales que se emplean en las construcciones en la construcción de sub- base y

bases son seleccionados y en general se clasifican en los cinco siguientes tipos:

a) .- Materiales que no requieren tratamiento. b) .- Materiales que requieren ser disgregados c) .- Materiales que requieren ser cribados. d) .- Materiales que requieren ser triturados parcialmente y cribados. e) .- Materiales que requieren ser triturados totalmente y cribados. a) .- Los materiales que no requieren tratamiento pueden contener en el banco 5% o

menos de retenido en la malla de 2”. b) .- Los materiales que requieren disgregación, una vez efectuados esta no deberá

contener mas del 5% de retenido en la malla de 2”. c).- Los materiales que requieren cribado (en la malla de 2”) son aquellos que contienen de

5 a 25% de retenido en la malla de 2”. Se criban por esa malla.

d) .- Los materiales que requieren trituración son los siguientes: d.1).- Los poco o nada cohesivos (como mezcla de gravas ,arenas y limos), que al ser

extraídos quedan sueltos y que contienen mas del 25% de retenido en la malla de 2”. Estos materiales se tratan para obtener tamaño máximo de 1 ½“.

d.2).- Tezontles y materiales cohesivos (como mezclas de gravas, arenas y limos) que la

extraerlos resultan con terrones que pueden disgregarse parcialmente, dejando esta operación menos del 5% de retenido en la malla de 2”. El tratamiento de be hacerse para obtener tamaño máximo de 1 ½“.


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e).- Los materiales que requieren trituración total y cribado (se realiza de tal manera de

obtener tamaño máximo de 1 ½“), son los siguientes: e.1).- Piedra extraída de mantos de roca o macizos rocosos. e.2).- Piedra de pepena. e.3).- Piedra suelta de depósitos naturales y desperdicios. Para la constricción de las capas de sub- base y base se tomará en cuenta lo siguiente: a).- En los bancos de material se desmontará la superficie correspondiente y se despalmará

la capa superficial del terreno natural que, por sus características, no sea adecuado para utilizarse un sub- base o base.

b).- El 5% de tamaños mayores de 3”, que pueda contener los materiales que no reciben

cribado, deberá de ser eliminado en la carretera. c).- En los casos en que se utilice equipo de trituración es necesario que este sea el

adecuado para satisfacer la composición granulometría de proyecto. d).- tratamiento o manera de controlar los suelos o materiales expansivos.

Curva teórica de Seca. Saturación.

PVS Húmeda Wopt Wsat. W% Para identificar un suelo expansivo, se puede realizar la expansión libre, criterio de

Altweyer (L.C), Sowers (IP – JC), U.S.B.R., método del PVC (Potencial Volumetric Change). La curva teórica de saturación proporciona las humedades para las cuales el material nos

queda totalmente saturada. Es decir PVC para el cual todos los huecos quedan llenos de agua. Si se satura un material habiéndolo compactado en la rama seca se tendrá una grande

expansión. Los materiales expansivos conviene compactarlos con humedades mayores que la optima

para reducir la expansión.


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Otro método para tratar los materiales expansivos es dejarlos que se expandan, una vez

ocurrido esto, se abre una zanja, se llena con fragmentos de roca y grava, detal manera que si se expande el suelo rellena los huecos dejados por el material grueso.

Los materiales compactados tienen las siguientes propiedades: 1.- PRESIONES BAJAS. Rama seca.- Menor compresibilidad que el suelo compactado en

la rama húmeda. 2.- PRESIONES ALTAS. Rama seca.- Mayor compresibilidad que el material compactado

del lado húmedo.

C).- PRUEBAS DE PROYECTO. Nos sirven para dimensionar las capas de la estructura vial. c.1) .- Prueba de VRS modificada.


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ELEMENTOS ECONÓMICOS Y REGIONALES QUE SE DEBEN TOMAR EN CUENTA PARA LA ESTRUCTURACIÓN DE UNA VÍA TERRESTRE.

* Monto posible de lea inversión.

* Estudio de las diferentes alternativas para escoger Economía la de menor costo que cumpla con esta metolodo-

logía (inicial., operación y mantenimiento.

Elementos Drenaje régimen *Combinación del PVS y W para encontrar el VRS de Económicos y de lluvias proyecto. Regionales. Nivel de aguas *Proyecto de drenaje y sub- drenaje y capas Freáticas. Rompedoras de capilaridad *Granulometría. Pruebas de *Limites de Atterberg Clasificación *Contracción lineal, (expansión). *Porter estándar (VRS). *Próctor SAHOP Pruebas de 10% retiene la malla No.4 Estudio de materiales Control *ASSHO Modificada. de cuerpo de terraplén 20% retiene la malla No.4 y capa subrasante *Porter estándar. 20% retiene la malla No.4 *100% PVSM. Wo Zonas de buen drenaje y bajo régimen Pluviométrico. Prueba VRS *95% PVSM. Wo + 1.5% De proyecto zonas de regular drenaje. *90% PVSM. Wo + 3.0% Zonas de mal drenaje y alto régimen Pluviométrico.


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PRUEBAS QUE SE REALIZAN A LOS MATERIALES PARA EL PROYECTO DE UNA

VIA TERRESTRE. *Granulometría. *Limites de Atterbeg Pruebas de clasificación *Contracción lineal Materiales pétreos *Porter estándar Materiales asfálticos *Valor cementante. Estudio de *Afinidad con el asfalto materiales *Contenido optimo de asfalto sub- base base y

carpeta *Porter estándar Sub- bases, bases, mezclas en el lugar. Pruebas de control *Prueba Marshal *Contenido de asfalto Diferentes tipos de carpeta.

CARACTERÍSTICAS DEL TRÁNSITO PARA EL PROYECTO DE UNA VIA

TERRESTRE CON PAVIMENTO FLEXIBLE. *Tránsito Diario Promedio Anual ambos sentidos. *Porcentaje de tránsito en el carril de diseño. *Composición del tránsito.

*Factor de daño. Tránsito *Tránsito actual en el carril de diseño.

*Vida útil del camino. *Tasa de incremento anual. *Tránsito futuro equivalente en el carril de diseño. ELEMENTOS PARA LA ESTRUCTURACIÓN FINAL DE UNA VÍA TERRESTRE.

Cuerpo del terraplén Caculo del espesor sobre la capa en estudio VRS de proyecto 90 a 80% con auxilio delas curvas de proyecto. Capa subrasante


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Estructura del pavimento (Tránsito futuro equivalente en el carril de diseño) *Gráfica de proyecto *Calidad de proyecto *Materiales estabilizados *Materiales no estabilizados Espesor final *Localización de bancos de las capas del *Tipo de carpeta necesaria pavimento *Uso de sub- base con materiales para

romper capilaridad *Uso de subrasante de acuerdo al tipo de material de terraplén. *Espesores mínimos por especificación.

4. EFECTOS DEL AMBIENTE. Otro de los factores que intervienen en el diseño de pavimentos es el clima y condiciones

ambientales. Las características geológicas de los materiales que constituyen la carretera dependen de la temperatura, régimen de precipitación media anual, nivel freático, geología y topografía dela región. El comportamiento del pavimento depende de la interacción entre las características estructurales, solicitaciones del transito, clima, condiciones regionales y tipo de conservación aplicada.

Conviene utilizar el sistema Copen – Geiger para regionalizar la Republica y poder

realizar estimaciones adecuadas de los factores de adversidad debido a las condiciones climatológicas.

El principal factor climatológico que efectúa a los pavimentos es la precipitación pluvial ya

sea por su acción directa o por la elevación de las aguas freáticas. Frecuentemente el proyectista se ve obligado al diseño y construcción de estructuras adicionales de drenaje, aparte del drenaje normal que nunca podrá faltar en la obra vial o el empleo de diseños especiales para el pavimento.

Las heladas en los climas extremosos y en suelos susceptibles, pueden ser fuente de gran

numero de problemas den pavimentos. En México sin embargo esta condición no se presenta no es critica.

La temperatura y sus variaciones bruscas efectúan los diseños y sobre todo en losas de

concreto, pues inducen esfuerzos muy importantes en toda la estructura. Existen monogramas como el que se anexa junto con la clasificación de climas, para ajustar

el espesor de diseño de pavimentos asfálticos, considerando las condiciones regionales.


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70

Así pues los principales factores climáticos son la precipitación pluvial y la temperatura. el

agua en el suelo aumenta su peso volumétrico, disminuye su capacidad de carga y aumentan las presiones hidrostáticas. El ingeniero proyectista debe de fijar y normar su criterio para le diseño d un pavimento de acuerdo al drenaje y precipitación pluvial que tenga en cada caso, para lo cual puede hacerse uso de la clasificación de los climas que se pueden resumir de la manera siguiente:

CLASIFICACIÓN. 1.- Zona desértica del Norte.- Tiene un bajo régimen pluviométrico y buen drenaje. 2.- Zona del Centro.- Condiciones regulares de régimen pluviométrico y drenaje. 3.- Zonas Montañosas del Sur.- Alto régimen pluviométrico y mal drenaje. La temperatura afecta a los pavimentos flexibles puesto que el asfalto es un material muy

sensible a los fuertes cambios de temperatura. El método del Instituto de Asfalto aumenta en un 30% el espesor de un pavimento en las

zonas donde existan las heladas (Chihuahua). Un material con pocos limos (para disminuir la cantidad de agua, que provoque la

congelación del agua) es el adecuado para evitar las heladas (material granular). La temperatura afecta a los pavimentos flexibles puesto que el asfalto es un material muy

sensible a los fuertes cambios de temperatura. El método del instituto de asfalto aumenta en un 30% el espesor de un pavimento en las

zonas donde existen las heladas (Chihuahua). Un material con muy pocos limos (para disminuir la cantidad de agua, que provoque la

congelación del agua) es el adecuado para evitar las heladas (material granular)


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CLASIFICACIÓN CLIMATOLÓGICA 1.- Datos de la estación meteorológica en:

Observaciones Termométricas °C

Mes Observaciones pluviométricas

(mm)

Media mensual

Máxima extrema

Mínima extrema

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre P(mm) t T

2.- Clasificación KOPPEN- GEIGER. 3.- Determinación del valor regional (R) WYOMING. R = p + nf + h + d Precipitación pluvial (mm) p Nivel freático (m) nf Acción de las heladas h Condiciones de drenaje d Valor regional R

FACTOR REGIONAL (R) R = p + nf + h + d

Precipitación Pluvial (mm)

p Nivel freático (m)

nf Heladas h Drenaje

d

<380 0.0 Profundo 0.0 Ninguna 0.0 Eficiente 0.0 380 – 760 6.0 1.2 – 3.0 6.0 Media 4.0 Regular 2.0 >760 8.0 <1.20 10.0 alta 8.0 pobre 4.0


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5. FACTORES ECONÓMICOS. Este tema se estudio en el inciso d).- de las características fundamentales que debe tener un pavimento como conjunto.


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73

Fig.3 Clasificación de climas con base en el sistema Koppen- Geiger

CLIMAS

A

Tropical

Afa 1 Ecuatorial tipo amazónico Caluroso, regular.

Ama 2 Subecuatorial, tipo sudanés Caluroso regular

Awa 3 Tropical, tipo senegalés Variaciones térmicas

B

Seco

BSk 4 Estepario, tipo senegalés o tipo caluroso o templado medio, oscilaciones térmicas sensibles.

Bwh 5 Desértico tipo sabarioano extremoso

C

Sub. Tropical

Cfa 6 Subtropical mediterráneo con influencia de monzón tipo chaina caluroso, medio oscil, term. Notab.

Csb 7 Mediterráneo tipo portugués, templado medio, veranos secos y calientes.

CwH 8 Subtropical de altura, tipo mexicano. Templado regular.

H De Montaña

H 9 De montaña, extremoso tipo alpino.

Prim

era

letra

A,C,D .- suficiente calor y precipitación para el crecimiento de árboles grandes. A.- Climas tropicales. Todas las temperaturas medias mensuales mayores de 16°C. B.- Climas secos. Fronteras determinadas mediante las graficas T- R C.- Climas templado caluroso. Temperatura media mensual mas frío entre 18° y 3°C D.-Climas de nieve .Temperatura media del mes más caluroso mayor de 10°C; del mes mas frío menor de 3°C E.- Climas polares. Temperatura media del mes más caluroso menor de 10°C.

Segu

nda

letra

S.- Clima estepario * W.- Clima desértico * f.- Suficiente precipitación todos los meses m.- Clima de selva, a pesar de una estación seca. s.- Tiempo seco en verano. w.- Tiempo seco en invierno. *Fronteras determinadas por graficas T-R. Solo se usa en combinación con la primera letra B.

Terc

era

letra

c.- Temperatura media del mes mas caluroso, mayor de 22. b.- Temperatura media del mes más caluroso, menor de 22 (por lo menos 4 meses tienen medias mayores de 10°C) c.- Menos de 4 meses tienen medias mayores de 10°C d.-Igual que c, pero la media del mes mas frío menor de -38°C h.- Seco y caliente. Temperatura media anual mayor de 18°C k.- Seco y frío. Temperatura media anual menor de 18°C H.- Clima de montaña. Extremoso, tipo alpino.


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CAPITULO III

CONSIDERACIONES TEÓRICAS RELATIVAS A LA DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS Y DE FORMACIONES EN LOS PAVIMENTOS FLEXIBLES Y RÍGIDOS.


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1. DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS. 1.1 DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS EN PAVIMENTOS FLEXIBLES.

En este tema se estudian solamente los esfuerzos debidos ala carga de tránsito. Existen, hasta el presente dos criterios principales para tal estudio, la teoría de Boussinesq y la de Burmister, sin embargo se describen brevemente otras teorías.

a).- TEORÍA DE BOUSSSNESQ.

La teoría se basa en la determinación de los esfuerzos con la profundidad debidos a una carga vertical concentrada actuando en la superficie.

σz = 3 P Z3................(1) R γz Z 2π RS

σz = P [ I B q ]..........(2)

r Z2 I B q = 3 { 1 } 5/2

2π 1+ (r/z)2

Donde: I B q = Valor de influencia de Boussinesq Esta teoría se basa en la hipótesis de la T.E. y son: considera al medio semi-infinito, homogéneo (E, V iguales), isótropo (e igual en cualquier dirección) y el medio es linealmente elástico. (σ = EE) Mediante la expresión 2 podemos calcular la distribución de esfuerzos verticales en el plano vertical u horizontal de la manera siguiente:

En el plano vertical : r = cte. z = variable. Z = variable P r = cte. dif., de cero

En el plano horizontal: z = cte. r = variable.


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Integrando la expresión 2 obtenemos expresiones para determinar los esfuerzos debidos a

otras condiciones de carga, como cargas rectangulares, circulares uniformemente cargadas. Al aplicar la teoría de Boussinesq se utiliza en pavimentos la condición de área circular

uniformemente cargada, representando el contacto entre la llanta y la superficie de rodamiento. Distribución de esfuerzos normales a través de la estructura del pavimento. W

Po = σz = 0 Pavimento 45° P1 Z Po = Generalmente se considera igual a la Presión de inflado de la llanta Po Subrasante r Área circular uniformemente cargada P1 = σz

también nos interesa estudiar la posibilidad de que un pavimento flexible ceda lateralmente, par alo cual nos podemos basar en método de la espiral logarítmica, el cual se basa en una comparación de los momentos producidos por las fuerzas actuantes (carga transmitida por la llanta ) con los resistentes a lo largo de la superficie de deslizamiento (espiral).

C = Cohesión. Po

γ z PG 45° Z γ

C


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b).- TEORÍA DE WESTERGAARD. Esta teoría nos sirve para determinar la distribución de esfuerzos en un medio semi-infinito,

lineal, para que tenga la deformación horizontal restringida. Esto ocurre en suelos estratificados donde el, suelo se encuentra reforzado con numerosas capas rígidas de arena cementada.

Donde: σz = P I wd ...........(3) Z2

Arcilla I wd = 1 [ 1 ]3/2

Arena π 1+2 (r/z)2

Arcilla Arena Arcilla

Arena

I wd = Valor de influencia de Westergard.

Mediante esta teoría podemos encontrar la distribución de esfuerzos debidos a otras condiciones de carga, de las cuales la mas importante es la del área circular uniformemente cargada, ya que a partir de la expresión podemos construir las CARTAS DE INFLUENCIA.

c).- TEORÍA DE FROHLICH. La teoría de Frohlich nos sirva para determinar la distribución de esfuerzos verticales

debidos a la carga concentrada actuando en la superficie de un medio semi-rígido, elástico y isótropo (E varia con la profundidad) que es un caso mas común en un deposito de suelos naturales y la expresión es:

σz = P I fh Z2

Ifh = X [ 1 ](X+2)/2

2π 1+ (r/z)2

Donde: Ifh = Valor de influencia de Frohlich. Nótese que:

Si X = 3 ............ Solución de Boussinesq. X = 2............. Solución de Westergard. X = 4............. Solución de Frohlich. (arenas)


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Obteniéndose la expresión par áreas circulares con carga uniformemente distribuida

podemos construir la CARTA DE INFLUENCIA. d).- SOLUCIÓN DE BURMISTER. Burmister estudio la distribución de esfuerzos y desplazamientos en un sistema no

homogéneo formado por dos capas, cada una de ellas homogénea, isótropa y linealmente elástica. La primera capa es infinita horizontalmente pero tiene un espesor finito H.

La segunda capa subyacente a la anterior es semi-infinita. Se supone una frontera rugosa

plana entre las dos capas. En pavimentos Ei >> Ez y se obtienen los resultados siguientes: VALORES DE INFLUENCIA DE σz/p

r 0 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

p Valores E1/E2 =100 De 1 Z z/r E1/E2 =10 E1/E2 =1.0 2 Capa 2 (E2) 3

Curvas de influencia de esfuerzos verticales en un sistema de 2 capas elásticas. Bajo el centro del área circular cargada uniformemente con P) v = 0.5 Para al aplicación de esta teoría el diseño de pavimentos, se considera este como una

primera capa mas rígida y la segunda capa seria el terreno de cimentación. Sin embargo en la actualidad esta teoría no es de fiar, debido a que la solución teórica resulta de un esfuerzo tensional entre la interfase entre las dos capas y los suelos tienen muy baja resistencia ala tensión.

Como conclusión se puede afirmar que es mas conveniente usar la teoría de Boussinesq para encontrar la distribución de esfuerzos en un pavimento.

1.2. ESFUERZOS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS. Los esfuerzos en pavimentos rígidos pueden ser producidos por las siguientes causas:

a).- Por la aplicación externa de la carga. b).- Por cambios de temperatura ambiente, que ocasiona alabeo.


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c).- Por deficiencias en el contenido de humedad de la parte superior e inferior de la losa.

ocasiona alabeo d).- Por la fricción que se desarrolla entre la losa y la capa de cimentación, cuando la

primera cambia de volumen. e).- Por los cambios volumétricos de la subrasante debidos a la humedad o haladas. f).- Por falta de continuidad del material de la capa de cimentación debido a las

deformaciones permanentes de la subrasante o del fenómeno de bombeo.

2. INFLUENCIA DE LA RIGIDEZ DE LAS CAPAS. Burmister efectuó el estudio para el caso de la doble capa , que consta de un primer estrato de espesor infinito, que se apoya en el siguiente espesor infinito; ambas extendiéndose indefinidamente en sentido lateral.

Las gráficas de la fig. 4 indican la solución para el caso particular en que el espesor del

pavimento (sub-base, base y carpeta asfáltica muy delgada), tenga un espesor igual al radio de la placa cargada y variando la relación de los módulos de elasticidad.

Coeficiente de influencia del esfuerzo vertical.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 CAPA 1 h BASE O

1 E1/E2 =100 PAVIMENTO VALORES 50 20 INTERFASE 1-2 DE PARÁMETRO 10 5 2 BOUSSINESQ E1/E2=1.0 2 CAPA 2 CAPA SUBRASANTE 3 En este caso, se pueden calcular las deflexiones totales, haciendo uso de la ecuación

siguiente para la que el valor F, se obtiene de la fig. 5. A = c p a F2

E2 Donde: c = 1.5 para palca flexible. C = 1.18 para placas rígidas. P = presión de contacto. E1 y E2 = módulos de elasticidad de las capas 1y 2. F = factor que se obtiene de la fig No.5.


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El caso de la triple capa (Fig..6), es aquel en el cual se obtiene en la parte superior dos

capas de espesor finito (h1 y h2),que se apoyan sobre una tercera de espesor infinito, teniendo las tres, diferentes módulos de elasticidad (E1, E2 y E3).

P

σ21

μ1 = 0.5 h1,E1 σr1 INTERFASE 1 σx2

μ2 = 0.5 h3,E2 σr2 INTERFASE 2 σr3

μ3 = 0.5h3,E3 FIG.6. Haciendo uso de gráficas y tablas, debidas a los estudios de Jones y Peattit, se pueden

conocer diferentes esfuerzos en las interfases; las deformaciones; se pueden calcular con las ecuaciones generales de la teoría de elasticidad.


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Para el ingeniero proyectista, es importante analizar las consecuencias que se tienen cuando

modifican las características de las capas en cuanto al espesor y módulos de elasticidad; así analizando la fig. 7, se observa que al aumentarse le espesor de la segunda capa, se disminuyen los esfuerzos normales en la subrasante (3ª. Capa).

El mismo efecto pero disminuido se tiene al aumentarse E1/E2 (fig.4). Relación de esfuerzos verticales en la segunda interfase de un sistema de tres capas en

función de a/ hz/h2. FIG.7 K1 = k2 = 20 H = h1/h2 =1/8

ESFUERZOS 1/4 VERTICALES

1/2 σZ/P Promedio esfuerzos E1 unitarios E2 σz E3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

a/Z En relación con los asentamientos, estos se verifican en un 80% en las terracerías y como la

magnitud d las deformaciones es función directa de los esfuerzos actuantes, los mismos factores que hacen disminuir a estos, harán disminuir a aquellas.

3. DEFORMACIONES EN PAVIMENTOS. Por lo que se refiere a la capacidad estructural de un pavimento, esta característica se ha

relacionado, para fines de evaluación de las condiciones del pavimento, con la medición de la deformación del mismo.

Las deflexiones de un pavimento flexible bajo una carga estática pueden ser determinados

con equipos tales como la Viga de Benkelman o un Curvidimetro Dehlen. Un deflectómetro del tipo Dynaflect permite la medición de deflexiones cuando la carga que se aplica al pavimento es dinámica.


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ESQUEMA DE LA VIGS BENKELMAN. C EXTENSOMETRO QUE MIDE LA DEFORMACIÓN BRAZO FIJO

BRAZO MÓVIL

B ARTICULACIÓN

A Se supone que la posición del brazo fijo apoyada sobre el pavimento en A y B no se efectúa por la deformación en el pavimento producido por las llantas en el punto C. al colocar las llantas, un al extensómetro se realiza una lectura y al quitar las llantas realiza otra lectura con la cual se puede determinar la recuperación elástica de C.

DELECTOMETRO DYNAFLECT. En el sistema electromecánico que mide la deflexión dinámica de la superficie del

pavimento cuando se aplica una carga oscilatoria (senoidal). El aparato medidor viaja en un remolque arrastrado por un vehículo en el que se colocan

los controles de medición. El medidor trabaja a base de un generador de esfuerzas dinámicas ejercidas sobre el pavimento (impactos), cuyos efectos se recogen en un sistema de sismógrafos alineados (geófonos). Una ventaja importante del aparato es no requerir ningún punto de referencia fijo en la superficie en que se realizan las mediciones y otra es la operación automática. Las mediciones de las deflexiones son leídas en la unidad de control, la cual se localiza a un lado del conductor. Remolque Dynaflect.

Producen la carga vibratoria) mediante volantes excéntricos.


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La valuación de la capacidad estructural de un pavimento deberá comprender el análisis de

la resistencia de los materiales que constituyen cada una de las capas, incluyendo la subrasante. La valuación final de la capacidad estructural deberá de tener en consideración los resultados obtenidos con el uso de dos criterios, deflexión y resistencia.

Por lo que se refiere al equipo a utilizar para la medición de les deflexiones, la solución

debe estar basada en su disponibilidad, costo y necesidad de avance; el coto de una viga Benkelman es considerablemente menor que el de un deflectómetro dinámico tipo Dynaflect, pero la rapidez y la eficiencia en la determinación de la lectura e deflexión que se puede lograr con este ultimo equipo es mucho mayor que cuando se utiliza una viga de Benkelman.

Otra alternativa para valuar la capacidad estructural de un pavimento, que ha sido sugerido

por varias instituciones, entre ellas el Departamento de Transporte de Canadá y frecuentemente utilizado por la Secretaría de Asentamiento Humanos y Obras Publicas de México, consiste en la ejecución de pruebas de carga por medio de placas.

Una vea que han sido analizados o valuados las condiciones superficiales del pavimento, su

nivel de servicio y capacidad estructural, debe pasarse a la siguiente etapa y probablemente la mas importante, la cual es de elegir el tipo de rehabilitación mas adecuado par al pavimento, si es necesario esta rehabilitación, dependerá del incremento esperado del volumen e intensidad de la carga del tránsito que circulará por el pavimento, el costo de los trabajos de rehabilitación y su relación con la disponibilidad de fondos para su ejecución, la vida útil que debe considerarse en la rehabilitación y el costo de su mantenimiento. Otro factor a tomar en cuenta es el efecto que produciría la interrupción del tránsito por las obras de rehabilitación en los costos de transporte para los usuarios.


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CAPITULO IV

CAPA SUBRASANTE.


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1. FUNCIONES DE LA CAPA SUBRASANTE. Generalmente los últimos 30 cm., de la terracería de corte o terraplén se conocen como

capa de subrasante. Esta capa es muy importante para los pavimentos y constituye su cimiento. La capa de subrasante forma parte de las terracerías las cuales para que no sufran reacomodos posteriores y tengan cierta resistencia a la acción del agua, se recomienda que se compacte al 90% de su PVSM. Hay ocasiones, en el caso de terraplenes que es necesario compactar la subrasante o parte superior de terracería al 95%, cuando el T.N.,es de muy mala calidad.

La función de la subrasante es de formar una capa de transición entre el pavimento y

terracerías. En la actualidad existe cierta tendencia a construir la capa subrasante con materiales de

mejor calidad. Para diseñar adecuadamente un pavimento sobre todo flexible, de deben hacer extensos

estudios del suelo de la subrasante, tanto en campo como en laboratorio, los cuales comprenden estudios de topografía, geología y principalmente de Mecaniza de Suelos.

2. MATERIALES APROPIADOS. La subrasante la podemos clasificar en buenas, regulares y malas. Para saber si una subrasante dada, o si el suelo que está en la parte superior de una

terracería, corresponde a una de estas categorías, debamos conocer cuando menos su granulometría, plasticidad y VRS o CBR.

Si no contamos con un laboratorio de suelos cercano, para obtener la información, podemos

visual y manualmente, mediante las pruebas de campo. La siguiente tabla muestra las tres categorías de la subrasante:

Categoría VRS Suelo típico y su clasificación.Buena 13 a 35 Gravas, gravas – arena, arenas. Regular 6 a 12 Limos y arcillas poco plásticas.Mala 3 a 5 Arcillas muy plásticas. CH

Cuando una subrasante es mala, conviene estudiar la posibilidad económica de quitarla,

estabilizarla o colocar sobre ella otra subrasante de mejor calidad.


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COMPACTACIÓN DE LA SUBRASANTE.

CATEGORÍAS DE TRÁNSITO.

Categorías de tránsito.

Descripción.

A Banquetas, plazas y andares. 1 Calles residenciales, estacionamiento de automóviles. 2 Calles residenciales alimentadoras. Pocos autobuses. 3 Avenidas, estacionamientos industriales, regular cantidad de

autobuses, calles y estacionamientos de mercado de abastos. 5 Calzadas y calles comerciales con muchos autobuses. 5 Carreteras urbanas, autopistas.

3. TECNOLOGÍA DE LABORATORIO. Las pruebas de laboratorio básicas necesarias para saber la calidad de la subrasante son

como ya se mencionó: la granulometría, plasticidad y VRS del material.

Categoría de tránsito.

Espesor mínimo % de compactación mínima.

1,2,3 15 cm 90 4,5 30 cm 95


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CAPITULO V BASES Y SUB – BASES EN PAVIMENTOS

FLEXIBLES.


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1. FUNCIONES DE LA SUB-BASE La principal función de la capa de sub-base en un pavimento flexible , es de abaratar el

costa del pavimento. Si el espesor de la base es de mas de 20 cm., conviene sustituir parte de este espesor con un

material de menor calidad, que abunde localmente. La sub-base en los pavimentos de concreto (rígido) tienen una función complementaria de

una mala subrasante y se les asigna poco valor estructural, siendo su uso en los siguientes casos: a).- Si el pavimento va a tener tránsito intenso 3,4,5. b).- Si el suelo de la subrasante es fino y plástico. En los pavimentos rígidos de concreto se incluye una capa de sub-base para: a).- Prevenir falla por bombeo de la subrasante. b).- Para proteger de las heladas a la subrasante. c).- Para contrarrestar los cambios volumétricos (expansión y contracción) de la subrasante. d).- Para aumentar la capacidad soportante de la subrasante. e).- Como auxiliar en la construcción. Para que se produzca falla por bombeo en pavimentos rígidos, se requiere que exista in

intenso tráfico pesado, agua acumulada en la subrasante y que la subrasante tenga muchas partículas finas ( pasan la malla No 200).

La sub-base es la capa de materiales seleccionados comprendida entre la subrasante la base. Las funciones de la sub-base son: 1).- Transmitir los esfuerzos ala capa en forma conveniente. 2).- Construir una transición entre los materiales de base y de la capa subrasante, de modo

tal que evite la contaminación y la interpenetración de dichos materiales. 3).- Disminuir efectos perjudiciales en el pavimento ocasionados por cambios volumétricos

y rebote elástico del material de terracerías o del terreno de cimentación. 4).- Reducir el costo del pavimento, ya que es una capa que está debajo de la base queda

sujeta a menores esfuerzos y requiere de especificaciones menos rígidas, mismas que puedan satisfacer normalmente con un material mas barato que el de la base.

5).- Contribuir en algunos casos al drenaje de la carretera.


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90

1.1. MATERIALES A UTILIZAR EN LA SUB-BASE. Los requisitos de calidad de estos materiales dependen de la granulometría que tengan es

decir depende de las zonas en que caiga la curva granulométrica, las cuales se presentan en la gráfica siguiente:

100 90 80 70

% QU E 60 ZONA III ZONA II ZONA I PASA 50 40

30 20 10 0 200 100 60 40 20 10 4 3/8” 3/4” 1” 1 ½” 2”

MALLA

En la siguiente tabla se muestran los requisitos de calidad:

Zona en que se clasifica el material de acuerdo a su granulometría.

Característica 1 2 3 Contracción lineal 6.0 max. 4.5 max. 3.0 mín. Valor cementante para materiales angulosos en kg/cm²

3.5 mín. 3.0 mín. 2.5 mín.

Valor cementante para materiales redondos en kg/cm²

5.5 mín. 4.5 mín. 3.5 mín.

VRS Estándar saturado 50 mín. Equivalente de arena. 20 mín.

El material deberá compactarse al 95% mínimo de su peso volumétrico seco máximo salvo que el proyecto fije un grado diferente de compactación.


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Los materiales que va a utilizarse como sub-base de un pavimento pero estabilizados con un material asfáltico deben de satisfacer una vez estabilizados, los siguientes requisitos:

a).- Valor de estabilidad 180 kg (mínimo). b).- Expansión. 2% (máximo). c).- Absorción 5% (Máximo). 1.2. TECNOLOGÍA DE LABORATORIO. Las pruebas de laboratorio mínimas necesarias para determinar la calidad de la sub-base

son como ya se mencionó los limites de consistencia , Valor cementante, VRS, Equivalente de arena y las pruebas de Compactación.

Para los materiales estabilizados con asfalto se deben de realizar las pruebas de Valor

Cementante, Estabilidad, Expansión y absorción.

2. FUNCIÓN DE LA BASE. Las capas de sub-base y base están principalmente relacionadas con los pavimentos flexibles de superficie asfáltica, adoquinada o empedrada. Constituyen un elemento estructural muy importante. La base es el corazón de los pavimentos flexibles. En los pavimentos rígidos de concreto, el pavimento está formado por exclusivamente por la losa de concreto, pero si el suelo de la subrasante es malo o el tránsito muy intenso se debe de incluir una base o sub-base como se le llama en este caso.

En pavimentos flexibles, las capas de base y sub-base tienen la principal función de

soportar las cargas del pavimento. La base debe de tener la suficiente resistencia para recibir la carga y transmitirla a un nivel de esfuerzo adecuado a la siguiente capa, que puede ser ana sub-base o una subrasante, de tal manera que no les produzca deformaciones perjudiciales.

2.1. MATERIALES A UTILIZARSE EN LA BASE. Actualmente podemos considerar dos clases de bases:

a).- Base granular: De grava triturada y mezcla natural de agregado y suelo. b).- Base estabilizada: Suelos con cemento Pórtland, cal o asfalto. En las bases granulares la estabilidad del material depende de la fricción interna y de su

cohesión. Una alta fricción interna se consigue con agregados bien graduados de forma irregular y

con una pequeña cantidad de finos limos –arenosos. En bases estabilizadas, la estabilidad depende de la resistencia proporcionada por la liga del

suelo y cemento, cal o asfalto. Aquí la granulometría es de importancia secundaria par ala resistencia obtenida.


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Los requisitos de calidad para las bases granulares: en pavimentos flexibles.

De acuerdo a la intensidad o peso total de camiones se debe tener:

a).- CAMINOS:

b).- EN PATIOS Y PLATAFORMAS:

Si el material se va estabilizar con asfalto, debe de cumplir ya estabilizada los requisitos siguientes:

a).- Valor de estabilidad 80 kg. Mín. b).- Expansión 2% Máximo. c).- Absorción. 5% Máximo.

Zonas en que se clasifica el material de acuerdo a su granulometría.

Característica 1 2 3 L.L.% 30 Máx. 30 Máx. 30 Máx. C.L.% 4.5 Máx. 3.5 Máx. 2.0 Máx. V.C. para materiales angulosos k/cm²

3.5 Mín. 3.0 Mín. 2.5 Mín.

VRS% Mín. 80 – 100 Equivalente de arena Mín. % 30 – 50 Índice de durabilidad ID % Mín. 30 – 40 Compactación % Min 95

INTENSIDAD DEL TRÁNSITO EN AMBOS SENTIDOS.

VRS % E A % I D %

Hasta 1000 vehículos pesados al día 80 Mín. 30 Mín. 35 Mín.

Mas de 1000 vehículos pesados al día 100 Mín. 50 Mín. 40 Mín.

PESO TOTAL DE CAMIONES EN AMBOS SENTIDOS.

VRS % E A % I D %

Hasta 20 ton. 80 Mín. 35 Mín. 35 Mín.

Mas de 20 ton. 100 Mín. 50 Mín. 40 Mín.


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2.2. TECNOLOGÍA DE LABORATORIO. Las pruebas de laboratorio mínimas necesarias para determinar la calidad de las bases son

las mismas que para las sub-bases. Lo anteriormente dicho se resume en la siguiente tabla:

CARACTERÍSTICAS Revestimiento Sub-base base Limite liquido Max. % -- -- 30 Contracción lineal Max. %

Z-1 = 6.0 6.0 4.5 Z-2 = 4.5 4.5 3.5 Z-3 = 3.0 3.0 2.0

Valor cementante Mat. Angulosos, Min. Kg/cm²

Z-1 =5.5 3.5 3.5 Z-2 = 4.5 3.0 3.0 Z-3 = 3.5 2.5 2.5

Valor cementante Mat. Redondeados, Min. Kg/cm²

Z-1 =8.0 5.5 5.5 Z-2 = 6.5 4.5 4.5 Z-3 = 5.0 3.5 3.5

VRS estándar saturado Min.% 30 50 80 – 100 Equivalente de arana en % -- 20 30 – 50 Compactación Min. % Fijado por el proyecto 95 95 Índice de durabilidad. -- -- 35 – 40


.

94

CAPITULO VI

DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES.


.

95

1. DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES.

1.1. INTRODUCCIÓN. Para el diseño de pavimentos flexibles se deben de tomar en cuenta las características, propiedades, naturaleza y comportamiento de los materiales terrosos que van a formar parte del pavimento. Otro factor a tomar en cuenta es “ El efecto del ambiente”, el cual se refiere no solo alas condiciones del clima; también las topográficas por donde va a atravesar el camino, ya que no es lo mismo que el camino atraviese un valle o siga la línea de parte aguas. El la actualidad casi todos los criterios de diseño de pavimentos se basan en métodos empíricos, para los cuales se realizan pruebas de laboratorio, la cual no es mas que una caricatura burda de la realidad poca representativa. Actualmente la prueba básica para el diseño de pavimentos el la del VRS, de la cual se obtienen soluciones poco representativas de la realidad. Esta prueba se maneja como índice de experiencia personal. Otra deficiencia de los criterios de diseño de los pavimentos es considerar las cargas del transito estáticas y no móviles como en realidad sucede.

1.2. DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES POR EL METODO DE SAHOP.

En al año de 1948 fue cuando se publicó el primer instructivo para muestreo, control de construcción y especificaciones de materiales para terracerías y pavimentos de caminos. Anteriormente no existía un método específico para el proyecto del pavimento, por lo que las terracerías de dejaban consolidar por la acción del tiempo y del transito que circulaban por ella una vez que se revestían, de manera que transcurrido un gran lapso de tiempo se construía el pavimento. Este método solo considera dos variable para el diseño, las cuales son: a).- La intensidad del transito. b).- Resistencia ala penetración del material que sirve de base para la cimentación del pavimento, o sea de su valor relativo de soporte. a).- DETERMINACIÓN DE LA INTENSIDAD DEL TRANSITO. Para efectuar dicha determinación se auxilia el proyectista de aforos del transito y estudios de origen y destino efectuados en caminos, colonias o fraccionamientos con características similares al que se va a construir. Estos estudios se pueden obtener de la Secretaría por medio de la comisión de Ingeniería de Transito. Para el conteo de vehículos, se utilizan contadores manuales o electrónicos, clasificándolos en vehículos ligeros (A), Autobuses (B) y vehículos pesados (C).


.

96

b).- DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA O VRS DEL MATERIAL QUE FORMA PARTE DE LA SUBRASANTE O TERRACERÍAS.

La prueba de VRS deberá de efectuarse siempre en condiciones de humedad cercanas a las mas desfavorables que se considere pueda alcanzar el material para una compactación de proyecto existente. c).- DETERMINACIÓN DE LOS ESPESORES. Para determinar los espesores de un pavimento flexible se utiliza la grafica que se anexa, la cual se utiliza de la manera siguiente: 1.- Se localiza el VRS de diseño del material que formará el terreno de cimentación, en las abscisas. 2.- Se sube una vertical por el punto localizado hasta interceptar la curva requerida por el transito del proyecto. Por el punto interceptado, se traza una horizontal hasta interceptar la escala de las ordenadas, en la cual se lee el espesor de la subrasante mas sub-base mas base requerido por el terreno de cimentación por encime de él. 3.- De la misma manera con el VRS del material que formará la subrasante se determina el espesor requerido de la sub-base mas base arriba de la subrasante. 4.- El espesor de la capa subrasante será la diferencia de los valores obtenidos en el inciso 2 y 3. 5.- Con el VRS de la capa de sub-base se determina de manera similar los espesores de la sub- base y base, los cuales serán compatibles con los espesores mínimos especificados en la tabla anexa. Nota: Este método toma en cuenta la vida útil de proyecto de 10 años.


.

97

Intensidad de transito de vehículos de carga Igual o superior a 3 toneladas métricas, considerado en un solo sentido.

Curva aplicable para proyecto de espesores.

Espesor mínimo de base.

Menos de 500 vehículos al día. IV 12 cm

De 500 a 1000 vehículos al día III 12 cm

De 1000 a 2000 vehículos al día II 15 cm

Mas de 2000 vehículos al día. I 15 cm


.

98

Con el VRS1 Espesor necesario de subrasante, sub-base mas base = E1 Con el VRS2 Espesor necesario de sub-base mas base = E2 Con el VRS3 Espesor necesario de la base = E3 En caminos es común de 30 cm. Espesor subrasante = E1 - E2 En aeropistas es común de 50 cm. Espesor subrasante = E2 – E3 OBSERVACIONES: 1.- En este método no se considera el espesor de la carpeta asfáltica, lo que proporciona un margen de seguridad. 2.- Este método es un método en cadena que admite multitud de variantes de diseño y si se usa una ciegamente puede conducir a un diseño altamente conservador como a una insuficiente. Este método se recomienda usarlo cuando ya se tenga una gran experiencia en el diseño de pavimentos. EJEMPLO: 1).- Determinar la estructuración del pavimento flexible, por el método de SAHOP, de acuerdo con los siguientes datos: TDPA2 = 2000 vehículos. VRS = 4.0 % saturado al 90% de compactación del terreno natural. VRS = 4.0 % saturado al 90% de compactación de la capa subrasante. 1.a).- CALCULO DE LOS ESPESORES. Como el Tránsito diario en un solo sentido es de 1000 vehículos, se entra a la curva II, con un VRS = 4.0 % y nos da un espesor de: E1 = Subrasante + sub-base + base = 48 cm. Sub-base + base E2 = 24 cm. Ahora entrando con el VRS de 15 % de la subrasante y con la misma curva II se tiene: E2 = Sub-base + base = 24 cm. Espesor de la subrasante = 48 – 24.

Sub-base + Base E2 = 24 cm Subrasante E1 = 24


.

99

Por especificaciones el espesor mínimo de la base para la curva II será de 15 cm, por lo tanto la estructuración final queda.

Carpeta asfáltica 6 cm Base 15 cm

Sub-base 9 cm 48 cm Subrasante 24 cm T. natural al 90% Para fines prácticos el espesor de la subrasante sería de 25 cm, de la base de 10 cm, del pavimento seria de 56 cm.

1.3. DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES POR EL METODO DE LA UNAM.

La secuela de calculo es la siguiente: a).- Se determina el VRS del material de cada capa que va a utilizarse en la construcción del pavimento. b).- Se estima el TDPA, con el cual se determina el Tránsito Equivalente (ΣL). En ejes sencillos de 8.2 ton. Este calculo se realiza en función de la tasa de crecimiento anual, vida de proyecto del pavimento, composición del tránsito, variación del coeficiente de daño con la profundidad y nivel de confianza asignado al pavimento. El tránsito equivalente represente el numero medio de ejes por cada vehículo que circula por la carretera al cabo de cierto numero de años. c).- DETERMINACIÓN DE LOS ESPESORES DEL PAVIMENTO. Para determinar los espesores del pavimento se utilizan las gráficas de las figuras A4, A5, A6, ó A7, según el nivel de confianza que se halla elegido. Estas gráficas se utilizan de la manera siguiente: Se determina el espesor equivalente requerido de Z1 sobre la capa analizada, entrando a la gráfica con el VRS de dicha capa en al eje de las abscisas por donde se baja una vertical hasta interceptar la curva de tránsito equivalente correspondiente a la profundidad analizada y en el eje de las ordenadas se lee el espesor equivalente.


.

100

Para determinar el espesor real de las capas D1 se utiliza la expresión:

∑= nn DaZ

1 11

Donde : Z = Espesor equivalente. a1 = Coeficiente de equivalencia estructural (toma en cuenta la capacidad de repetición de carga sobre el material). a1 = 0 para carpetas de riego.

a1 ≥ 2 para carpetas asfálticas (se toma ai = 2).

a2 = a3 = a4 = 1 para materiales estabilizados mecánicamente. Di = Espesor real. VRS Base. VRS sub-base. VRS Subrasante. a1D1 Carpeta Z1 Z2 a2D2 Base. Z3 Z4 a3D3 Sub –base. Z5 a4D4 Subrasante. a5D5 Cuerpo del terraplén. Terreno de cimentación. El espesor de la carpeta será: Z1 mínimo = 8 cm.

Z1 = a1D1 1

11 a

ZD =

El espesor de la base será: Z1 = a1D1 + a2D2 = Z1 + a2D2

a2D2 = Z2 – Z1

2

122 a

ZZD −= En general.

i

iii a

ZZD 1−−

=


.

101

EJEMPLO: Diseñar el pavimento flexible por el método de la UNAM., de acuerdo con los siguientes

datos: CLASIFICACIÓN DEL TRÁNSITO. Ap = 50% Tipo A = 90% Ac = 40% Tipo B = 5% Tipo C = 3% Tipo T2 – S1 = 2% (TDPA)2 = 2000 vehículos. Tasa de crecimiento anual = 4% Numero de carriles = 2 Vida de proyecto del pavimento = 20 años Nivel de confianza = Qu = 0.8 VRS del terreno natural al 90% = 2.5 VRS de la subrasante = 10% VRS de la sub-base = 40% VRS de la base = 80% a).- Análisis del tránsito acumulado en ejes sencillos de 8.2 ton. a.1).- Determinación de los coeficientes de daño Kc:

Tipo de vehículo

Composición. Coeficientes de daño Ejes equivalentes de 8.2 Ton

% Cantidad. Z=0 Z=15 Z=30 Z=60 Z=0 Z=15 Z=30 Z=60 (cargados/vacios) (Cargados/vacios)

A(A2) 50 500 0.004 0.004

0.000 0.000

0.000 0.000

0.000 0.000

2.0

-- --

-- --

-- --

P(A’2) 40 400 0.536 0.536

0.064 0.002

0.023 0.000

0.116 0.000

214.4 --

25.6 --

9.2 --

46.4 --

B2 5 50 2.000 2.000

1.890 0.757

2.457 0.502

2.333 0.433

100.0 --

122.9 --

122.85 --

116.65 --

C3 3 30 3.500 3.000

3.290 0.154

2.870 0.039

0.852 0.058

90 --

84.5 --

86.1 --

25.56 --

T2-S1 2 20 3.000 3.000

2.729 0.132

3.072 3.027

3.331 0.012

60 --

94.9 --

61.44 --

66.62 --

466.4 327.9 279.59 255.23 a.2).-Determinación del coeficiente de acumulación de tránsito.

Para la vida de proyecto de 20 años y una tasa de crecimiento anual de 4% se tiene:

CAT = ( )[ ]r

r n 36511 −+ = ( )[ ]04.0

365104.01 20 −+ = 10,869


.

102

Determinación del tránsito acumulado. ΣLo = (0.4664) (10,869) (1000) = 5.07x106 Ejes equivalentes.

ΣLd = (0.3279) (10,869) (1000) = 3.56x106 Ejes equivalentes. b).- Determinación de los espesores de la capa del pavimento.

CAPA VRS % ΣL Espesor equivalente sobre la capa(cm) Base 80.0 5.07x106 Z1= 16 Sub-base 40.0 3.56x106 Z2= 25 (min estructural se toma VRS=20% Subrasante 10.0 3.56x106 Z3= 40 T. Natural 2.5 3.56x106 Z4= 84

Si a1 = 2 a2 = a3 = a4 = 1 b.1).- Espesor de la carpeta asfáltica: i

ii DaZ ∑= 11

cmaZ

D 82

16

1

11 === cmD 81 = Carpeta asfáltica.

Z1 =8 cm es al mínimo constructivo. b.2).- Espesor de al base:

cma

ZZD 91625

2

122 =−=

−= cmD 102 = Base.

b.3).- Espesor de la Sub-base:

cma

ZZD 152540

3

233 =−=

−= cmD 153 = Sub-base.

b.4).- Espesor de la subrasante:

cma

ZZD 454084

4

344 =−=

−= D4= 45cm Subrasante.

Estructuración del pavimento: Carpeta asfáltica 8 cm Base 10 cm

Sub-base 15 cm 78 cm Subrasante 45 cm T. natural al 90%


.

103


.

104


.

105


.

106


.

107

1.4. DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES POR EL METODO DEL INSTITUTO NORTEAMERICANO DE ASFALTO DE E.U.A.

Para el instituto del asfalto, la estructura del pavimento asfáltico esta formada por una carpeta asfáltica, y una o mas capas de base asfáltica, soportadas directamente por el terreno de cimentación si presenta características de subrasante muy buena o buena. Si se clasifica como una subrasante muy mala o regular, se necesitara incluir en la estructura del pavimento capas de mayor calidad (sub-base y subrasante). Las bases de concreto asfáltico (asfalto – material pétreo), resisten mejor los esfuerzos de tensión y de compresión que se originan al deformarse el pavimento. El instituto de asfalto llama “pavimentos asfálticos”aquellos en que para todas las capas arriba de la subrasante o mejoramiento de la subrasante, se emplean mezclas asfálticas. Las ventajas principales de los pavimentos asfálticos son:

a).- Se tiene menos interferencia con los servicios municipales, ya que requiere de estructuras mas delgadas que las que se emplearían en las bases no tratadas.

b).- Son poco alterables por la humedad y las heladas. c).- No requiere una capa inferior para el drenaje. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO. a).- Análisis del tránsito. Se obtiene el tránsito diario que circulará en la carretera en dos direcciones, durante el primer año después de la construcción. Este tránsito se llama “Tránsito diario inicial” (TDI) b).- Se determina el porciento de camiones que circulan en le carril de diseño (B), este se pude obtener de la siguiente tabla:

Numero de carriles ( 2 direcciones)

% de camiones en el carril de diseño.

2 50 4 45 (35-48) 6 ó más 40 (25-48)

d).- Con los datos anteriores se calcula el numero de camiones pesados que circularán en e carril de diseño en un día durante el primer año después de la construcción de la carretera (N), de la manera siguiente:


.

108

100100BxATDIxN =

e).- Se obtiene la carga máxima por el eje admisible que se permite circular en la carretera, generalmente es de 18000 lbs. f).- Con la información anterior, se obtiene el NUMERO DE TRÁNSITO INICIAL , el cual representa el numero de ejes de 8.2 ton., que circularan al día por el carril de diseño, empleando el monograma de la fig, 6 que se anexa, siguiendo los pasos indicados en el croquis. g).- De acuerdo con la vida de proyecto y la tasa de crecimiento se corrige el ITN empleando la tabla de factores de corrección del ITN, que se anexa. h).-Multiplicando el numero de tránsito inicial por el factor obtenido, se obtiene el numero de tránsito de diseño (DTN), con este valor y el VRS se obtiene el espesor del pavimento equivalente a concreto asfáltico. Esto se determina con el monograma de la fig No 8 i).- para convertir las capas de concreto asfáltico a capas convencionales se utilizan los siguientes factores de equivalencia indicados:

Capas convencionales Factor de equivalencia

Bases asfálticas de arena, mezclas en planta. 1.3 Bases asfálticas elaboradas con asfaltos líquidos o emulsificados.

1.4

Bases granulares de alta calidad (VRS >100%)

2.0

Bases granulares de baja calidad (VRS > 20%). (Sub-base o subrasante).

2.7

El instituto Norteamericano de asfalto recomienda los espesores mínimos para carpetas de

concreto asfáltico, sobre bases asfálticas, que se mencionan en la tabla siguiente:

Número de tránsito de diseño. (TDN)

Espesor mínimo (cm).

(<10 ) Tránsito ligero. 5.08 (2”) (10 – 100) Tránsito medio. 7.62 (3”) (>100) Tránsito pesado. 10.16 (4”)

Espesores mínimos de Concreto Asfáltico.

Número de tránsito de diseño. (TDN). T.A. min. En pulgadas <10 4 10 –100 5 100 – 1000 6 > 1000 7


.

109

T.A = Espesor total de Concreto Asfáltico.

Cuando no se utiliza bases asfálticas sino las comunes bases granulares no tratadas, el espesor mínimo de la carpeta de Concreto Asfáltico se obtiene de la fig. (IX – 34).

Determinando el espesor del concreto asfáltico necesario, deberá restársele el espesor

necesario de carpeta. El espesor remanente de concreto asfáltico será el que se pueda convertir a capas convencionales haciendo uso de los factores de equivalencia.

EJEMPLO. Diseñar el pavimento flexible de acuerdo a los siguientes datos ( Por el método del

Instituto Norteamericano del Asfalto): Tránsito Diario Inicial (TDI) = 2,000 vehículos por día. Tasa de crecimiento anual. = 4.0% Carga limita permisible = 18,000 lbs.(Aforos). Peso promedio máximo esperado = 24, 000 lbs.(Aforos). Porcentaje de camiones pesados en el flujo B-2 = 5%

del tránsito del volumen total. 10% C-3 = 3% T2-S1 = 2% % de camiones pesados en el carril de diseño respecto al número total de camiones pesados = 50% Vida de proyecto del pavimento = 20 años VRS del terreno natural = 2.5% VRS de la subrasante = 10.0%

SOLUCION. a).- Tránsito Diario Inicial = 2,000 vehículos por día. b).- Camiones pesados en ambas direcciones. A = 10% c).- Camiones pesados en el carril de diseño. B = 50% d).- Número de camones pesados en el carril de diseño:

100100BxATDIxN = =

10050

10010000,2 xx

N = 100.


.

110

Este valor corresponde a la línea C del nomograma No. 6. e).- Entrando al nomograma con los valores de 24,000 lbs., y 100 hasta interceptar la línea

del pivote B. f).- Uniendo el punto anterior con el de 18,000 lbs., hasta interceptar la línea A, donde se

obtiene el Número de tránsito Inicial. ITN = 35. G).- Factor de corrección 1.49 para una vida de proyecto de 20 años y una tasa de

crecimiento anual de 4% h).- Número de tránsito de diseño: DTN = ITD (1.49) = 52

i).- Cálculo de los espesores totales sobre el Terreno Natural TA1 y sobre la subrasante TA2

Entrando al nomograma de la fig. 8 con DTN = 52 y el correspondiente del valor del VRS

se tiene: VRS 2.5 TA1= 11.2” = 28.8 cm = 29 cm TA mín.= 6” 10.0 TA2= 6.4” = 16.25cm = 16 cm j).- Espesor mínimo de carpeta asfáltica ( fig. IX.34), 12 cm. Se utilizará un espesor de carpeta TC = 6 cm. k).- Transformación a capas convencionales.

Espesor total de concreto asfáltico TA1 =29 cm.

Espesor de la subrasante en concreto asfáltico = 29 – 16 =13 cm

Espesor de la subrasante granular = 13 (2.7) = 35.10 cm.

=35 cm (práctico).

Concreto asfáltico 16 cm Subrasante granular. 35 cm Terreno de cimentación. Fijando en espesor de la carpeta asfáltica TC = 6 cm. Espesor del concreto asfáltico con calidad de base = 16 – 6 = 10 cm. Transformando a base granular:


.

111

Espesor de la base granular = 10x2 = 20cm La estructuración final queda:

Carpeta asfáltica 6 cm

Concreto asfáltico 20 cm Subrasante granular. 35 cm Terreno de cimentación.


.

112

1

234

10

68

300200

100

800600400

1000

3020

806040

30002000

10000

400060008000

1

10

100

1000

10000

2357

70503020

700500300200

7000500030002000

60

50

40

30

20

15

22.422

21

19

20

18

A

C

B

D

E

TRA

NS

ITO

PE

SAD

OTR

AN

SIT

O M

ED

IOTR

AN

SIT

O L

IGE

RO

NÚ

ME

RO

INIC

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TR

ÁNS

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(ITN

)

LIN

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PIV

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RO

DE

CA

MIO

NE

S P

ES

AD

OS

PR

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ED

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PR

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DE

L P

ES

O D

E L

OS

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RG

A E

N E

JE S

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CIL

LO, M

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S D

E L

IBR

AS

CA

MIO

NE

S P

ES

AD

OS

, MIL

ES

DE

LIB

RA

S

Fig. No. 6 Nomograma de análisis de transito


.

113

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1415161718

2520

1512

857654

3

2

10

1009080706050

40

30

25

21

3000

2000

1000

500

200

100

50

20

10

5

2

1

ESP

ES

OR

TO

TAL

EN

PU

LGA

DA

S D

E C

ON

CR

ETO

ASF

ALTI

CO

AR

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A D

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RP

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ALIF

OR

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RTE

, PR

UEB

A D

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A, P

SI, D

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O

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O D

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RÁ

NS

ITO

PAR

A EL

DIS

EÑO

(DTN

)

DE

LA P

LAC

A, 1

2 PU

LGA

DAS

B

C

Fig. No. 8 nomograma para espesor total de concreto

asfáltico


.

114

Factores de corrección del numero de tránsito inicial (ITN)

Fig. IX. 34 Espesores mínimos de concreto asfáltico sobre bases granulares, según el instituto norteamericano de asfalto.

Periodo De diseño

Tasa de crecimiento anual en porciento.

0 2 4 6 8 10 1 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 2 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 4 0.20 0.21 0.21 0.22 0.22 0.23 6 0.30 0.32 0.33 0.35 0.37 0.39 8 0.40 0.43 0.46 0.50 0.53 0.57

10 0.50 0.55 0.60 0.66 0.72 0.80 12 0.60 0.67 0.75 0.84 0.95 1.07 14 0.70 0.80 0.92 1.05 1.21 1.40 16 0.80 0.93 1.09 1.28 1.52 1.80 18 0.90 1.07 1.28 1.55 1.87 2.28 20 1.00 1.21 1.49 1.84 2.29 2.85 25 1.25 1.50 2.08 2.74 3.66 4.92 30 1.50 20.3 2.80 3.95 5.66 8.22 35 1.75 2.5 3.68 5.57 8.62 13.55

Tránsito Ligero

0 1000Tránsito Intenso

Número de tránsito para diseño (NTD)

10Tránsito Medio

100 5000

Esp

esor

mín

imo

de la

cap

a as

fálti

ca s

obre

la

bas

e gr

anul

ar

15

10

5

25

30

20

BASE HIDRAULICA DE BAJA CALIDAD

BASE HIDRAULICA DE ALTA CALIDAD

ESPESOR MINIMO=10cm


.

115

1.5. DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES POR EL METODO DE AASHTO.

El diseño esta basado en identificar o encontrar un “numero estructural SN” para el pavimento flexible que puede soportar el nivel de carga solicitado. . a1D1 Carpeta SN1 SN2 a2D2 m2 Base. SN3 a3D3 m3 Sub-base

FORMULA GENERAL. SN = a1D1 + a2D2 m2+a3D3 m3

ESPESORES MINIMOS D1≥ SN1 a1 D2≥ SN2 - SN1 a2 m2

D3≥ SN3 – (SN1+ SN2)

a3 m3


.

116

Para determinar el número estructural requerido este método proporciona el

siguiente nomograma.


.

117

Valores de los niveles de confiabilidad

Desviaciones estándar para varios niveles de confiabilidad


.

118

Relación de valores para obtener el Modulo de Resiliencia a partir de los valores

CBR, Texas triaxial, y Group index.


.

119

Nomogramas para obtener el coeficiente estructural para bases.


.

120

Nomogramas para obtener el coeficiente estructural para sub- bases.


.

121

CAPITULO VIII

CONCLUSIONES.

El método del Instituto de Ingeniería de la UNAM es el mas utilizado en México debido a sus excelentes resultados que se basan en las teorías de distribución de esfuerzos en los suelos, con el cual se obtiene una estructura homogénea en todas sus capas. Las gráficas utilizadas en el método están con base al volumen de tránsito acumulado en la vida útil de la obra . Además al utilizarse un método mas sencillo y confiable s puede tener un mejor numero de datos con los materiales que se conocerán con mayor exactitud, ya que se obtiene un mejor valor de la media estadística. El método del Instituto de Ingeniería de la UNAM propone gráficas para diferentes grados de confianza.

Debido a que este método hace énfasis en el uso de datos estadísticos, como son valores medios, desviaciones estándar (S), coeficientes de variabilidad (V) y niveles de confianza, se presupone que deben corresponder como mínimo, a muestras pequeñas, o sea que deben tener cuando menos 15 valores correspondientes a diferentes sondeos o muestras de materiales y como para cada material diferente se necesitan 12 especimenes que se saturan por tres días, el numero de especimenes para una longitud aproximada de 20 km serian: 13 x 15 x 4 = 624 especimenes suponiendo que la estructura tenga 4 capas: cuerpo de terraplén, capa subrasante, sub-base, base.

Además este método requiere para calcular la media y el coeficiente de variabilidad de los valores relativos de soporte en cada una de las capas; con ello; se obtiene el VRS medio para luego obtener el VRS que será el de proyecto. El dato de obtiene de la misma manera.

El método AASHTO es la alternativa conveniente para el diseño de pavimentos, ya que toma en cuenta el coeficiente estructural dependiendo del material utilizado en cada una de las capas a diseñar; además utiliza el factor regional (R) Wyoming, para ajustar o corregir le espesor del pavimento, dependiendo del tipo de clima que existe en la zona donde se proyecta el camino.


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Para el diseño de pavimentos, este método utiliza la resistencia del suelo al cual se le llama

Modulo de Resiliencia que cual se obtiene con un equipo muy sofisticado al se le aplica carga cíclica; previamente confinado como en realidad sucede en el camino transitado. Para que la muestra del suelo llegue así a un estado tal que toda la deformación sea recuperable, en este momento se tiene un comportamiento resiliente; del cual se obtiene una gráfica como a continuación se muestra:


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Apuntes de Pavimentos Flexibles

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