Capítulo 4 Josue

7/24/2019 Capítulo 4 Josue

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C

APÍTULO 4SEPARACIÓN Y ESTABILIZACIÓN DE

SUBRASANTES EN VÍAS

Desde hace varias décadas el área de diseño y construcción de vías se ha preocupado

por mantener un desarrollo que permita mejorar cada día las metodologías de diseño y las

técnicas de construcción, para ofrecer obras de alta calidad con un buen nivel de servicio

durante su vida útil !entro de ese desarrollo se ha involucrado la tecno- logía de los

geosintéticos buscando mejorar de una forma eficiente y económica las diferencias de los

elementos y materiales que componen las vías

"no de los problemas que se presentan con mayor frecuencia es el deterioro prematuro de

las vías, causado por diversos factores relacionados con las características y propiedades

de los materiales que conforman la estructura de las vías y con las condiciones de carga

que sobrepasan los valores de diseño !esde el punto de vista estructural, la

contaminación de la#s$ capa#s$ granular#es$, la me%cla de los suelos de diferentes

características y el comportamiento mecánico del suelo de subrasante son factores de gran

influencia en el deterioro de las vías, lo que se traduce en una reducción de la capacidad

portante de todo el sistema

&l desarrollo de la ingeniería ha introducido técnicas y tecnologías en el diseño y la



construcción de obras civiles mejorando sus especi'caciones y características a corto y

largo pla%o, aumentando la vida útil y buscando un equi- librio en los factores económicos

que en muchos casos representan una disminución de costos &specí'camente, la

utili%ación de los geote(tiles como una capa de separación entre los suelos de subrasantes

y las capas granulares ha permitido mantener la integridad de los materiales y mejorar su

funcionamiento, aumentando la vida útil de las estructuras &sta capa de separación congeote(til elimina la instalación de un material adicional que se emplea en los diseños

tradicionales que solo tiene en cuenta el proceso de contaminación que se produce al inicio

del período de vida de servicio, y no tiene en cuenta el proceso de contaminación a largo

pla%o

)* INTRODUCCIÓN

+on varias las funciones de los geote(tiles y varían según el campo de aplicación en que son

utili%ados &n el caso de las estructuras de vías, los geote(tiles cumplen dos funciones

esenciales separación y refuer%o &n este documento se presenta la metodología de

diseño para emplear un geote(til como separación del suelo de subrasante y la#s$ capa#s$

granular#es$ y como factor de estabili%ación de la subrasante



ara que un geote(til cumpla correctamente la función de separación entre

un suelo subrasante y una capa de material granular, el ./0 de la

subrasante debe estar entre 12 y *32

&n efecto, dentro de este rango se asume que la deformación del suelo de

subrasante no es lo suficientemente importante para generar grandes

esfuer%os de tensión en el geote(til, el cual se diseña como separación y no

como refuer%o .uando el ./0 es menor, del 12 el geote(til asume grandes

deformaciones y comien%a a absorber esfuer- %os a tensión que lo inducen a

trabajar como refuer%o, factor que afecta totalmente el diseño por separación

&n los casos en que el ./0 de la subrasante sea menor del 12 se debe hacer

un diseño por refuer%o y veri'car los criterios del diseño por separación cuando

el geote(til se coloca entre dos materiales de diferentes características

ara tener un concepto claro del funcionamiento del geote(til como separación

en la interfa% subrasante 4 capas granulares, a continuación se hace una

descripción del proceso que se desarrolla entre dos materiales de diferentescaracterísticas y comportamiento, y de cómo el geote(til se convierte en una

barrera que permite mantener la integridad y el buen funcionamiento de los

materiales, mejorando la resistencia y estabilidad de la estructura de la vía

&n el caso de las estructuras de avimento, donde se coloca suelo granular

#relleno, subbase, base$ sobre suelos 'nos #subrasante$ se presentan dos

procesos en forma simultánea

* 5igración de suelos 'nos dentro del suelo granular, disminuyendo su

capacidad de drenaje 67ntrusión del suelo granular dentro del suelo fino,

disminuyendo su capacidad portante #resistencia$&l geote(til se traduce en una barrera para migración de partículas entre dos

tipos de suelo, facilitando la transmisión de agua +e requiere entonces un

geote(til que retenga las partículas de suelo, evite el lavado de 'nos por la

acción del agua y que cumpla con resistencias necesarias para mantener la

continuidad sin que ocurra ninguna falla por tensión, pun%onamiento o

estallido #ver especi'caciones técnicas de los geote(tiles, .apítulo 6$, bajo

concentracio- nes de esfuer%os locales causados por irregularidades en el suelo

de fundación



4! "ETODOLO#ÍA DE DISE$O

4!% #e&era'idades

Este diseño permite escoger el tipo de geote(til adecuado para colocar en la

interfa% subrasante 4 capa granular, que tiene como función principal la separación

de suelos adyacentes con propiedades y características diferentes y la estabili%aciónde la subrasante durante el periodo de vida útil de la estructura de una vía

&n el caso del diseño por separación, se comparan las resistencias del geote(til con el

valor requerido en el diseño para una misma propiedad, obteniendo un factor de

seguridad global 8+g

!onde

0esistencia :dmisible 0esistencia última del ensayo de laboratorio que simula lascondiciones reales del proyecto sobre los factores de reducción

0esistencia 0equerida ;alor obtenido de una metodología de diseño que simula

las condiciones reales del proyecto

ara los casos en que se determine el factor de seguridad global como parámetro de

diseño, se calcula entonces la resistencia requerida #diseño$ en función de las

especi'caciones del geote(til que se vaya a utili%ar

<as especi'caciones de los geote(tiles se evalúan bajo condiciones ideales de

laboratorio, lo que en algunos casos representa altos valores numéricos para el diseño

<os valores obtenidos en el laboratorio se deben modi'car para aplicarlos bajo las

condiciones in situ de cada proyecto ara tener en cuenta estos factores, se asume un

factor de seguridad parcial 8+p que permite ajustar el valor último de laboratorio a las

condiciones particulares del terreno, obteniendo un valor admisible que se aplicará en

el diseño

!onde



=adm

=ult

> 0esistencia admisible para emplear en el diseño

> 0esistencia última obtenida en laboratorio

80p

807!

80!?/

>

>

>

8actor de reducción parcial

8actor de reducción por daños de instalación

8actor de reducción por degradación química ybiológica

<os rangos para los factores de reducción se mencionan en la =abla 1* del presentemanual

4!! Resis(e&cia a' Es(a''id) *"+''e& B+rs(,

&ntre las partículas del suelo granular que se colocan sobre el geote(til e(isten vacíos

que permiten que el geote(til se introdu%ca entre ellas por la acción simultánea de

las cargas de tráfico que son transmitidas hasta las capas granulares, al geote(til y al

suelo de subrasante "na ve% sometido a esfuer%os, el suelo trata de empujar el

geote(til por los vacíos de la capa granular &l geote(til que se coloca en la interfa%

subrasante 4 capa granular debe cumplir una resistencia mínima para que no falle

por estallido &l ensayo de resistencia al estallido #método 5ullen /urst 4 @orma

:+=5 !1ABC 4 7@; &-D3)$ representa esta situación

-resión de inEado, p

h

v

.apa 9ranular tamaño má(, d

9eote(til p

+ubrasante

8igura )6 9eote(til de separación - 0esistencia al estallido

d

a



!onde

=req

pF

p

>

>

>

0esistencia requerida del geote(til #Ga$

&sfuer%o en la super'cie del geote(til p

FH p #Ga$ resión de inflado #Ga$

dv

da

f ε

>

>

>

!iámetro má(imo de los vacíos ≅ 311 d#mm$

a

!iámetro má(imo de las partículas deagregados #mm$

=ult > 0esistencia última del geote(til #Ga$

ptest > resión del ensayo 5ullen /urst #Ga$

dtest

> !iámetro del diafragma 4 ensayo /urst

"é()d) %- ;eri'car si el geote(til que se va a utili%ar es adecuado ⇒ =ult

conocido calcular

8+g

0eempla%ando la ecuación #)C$ en la ecuación #)I$ y sustituyendo los valores de =req

y =ult

,

se obtiene

J ara 8+p

> *I ⇒ &cuación del factor de +eguridad 9lobal

J ara 8+p

> 63 ⇒ &cuación del factor de +eguridad 9lobal



"é()d) !- !eterminar la resistencia /urst requerida del geote(til para un factor de

seguridad global 8+gestablecido 8+

gconocido determinar =

req

: continuación se presentan las gráficas que permiten determinar =req

de diseño del

geote(til, asumiendo un factor de seguridad global 8+g> 63 y factores de seguridad

parcial 8+p> *I y 8+

p> 63 para las condiciones definidas en el método *



pF

d.apa 9ranular

d + d 9eote(til

+ubrasante

4!. Resis(e&cia a 'a Te&si/& *#RAB,

Ltro factor que actúa sobre el geote(til es el esfuer%o de tracción que se genera en el

geote(til en su plano de de- formación &sto ocurre cuando el geote(til esta MatrapadoN por

una capa granular y un suelo de subrasante .uando una partícula superior es for%adacontra dos partículas inferiores que están en contacto con el geote(til se genera un

esfuer%o de tracción en su plano #ver 8igura )I$ &l ensayo de tensión según el 5étodo 9rab

#:+=5 !)C16-7@;& D3*$ simula este proceso en el laboratorio, determinando la carga de

rotura #0esistencia 9rab$ del geote(til y su elongación correspondiente #deformación 4

elongación 9rab$ &l geote(til se coloca en la interfa% subrasante4capa granular debe

cumplir una resistencia mínima para que no falle por tensión

!onde

8igura )I 9eote(til de separación- 0esistencia a la tensión #90:/$

=req

> 0esistencia 9rab requerida #@$

pF > resión aplicada #Ga$

dv

da

f#ε

>

>

>

!iámetro má(imo de los vacíos dv≅ 311

da#mm$ !iámetro má(imo de las partículas

de agregado #mm$

Ta0'a 4% Va')res de 1 *ε,



"é()d)- ;erificar si el geote(til que se va a utili%ar es adecuado ⇒ =ult

conocidoK

calcular 8+g

0eempla%ando las ecuaciones #)B$ y #)D$ en la ecuación #)*3$

&ntonces la ecuación del 8actor de +eguridad 9lobal es

)6) Resis(e&cia a' P+&2)&a3ie&()

:demás de cumplir la función de separación, el geote(til de separación deberesistir el proceso de instalación, sin que sus propiedades iniciales sufran

modi'caciones importantes :sí se garanti%a el buen funcionamiento del geote(til

durante la vida útil de la vía 5ateriales pun%onantes, piedras angulares, ramas de

árboles, desechos de construcción y otro tipo de objetos que se encuentren sobre

el suelo #subyacente$ que quede en contacto con el geote(til, pueden romperlo y

desgastarlo cuando se coloque la capa granular y se apliquen las cargas de tráfico

sobre la estructura +e debe calcular la fuer%a vertical que actuará sobre el

geote(til bajo estas condiciones, y veri'car que el geote(til que se coloque resista

el pun%onamiento que se genere &l ensayo de resistencia al pun%onamiento :+=5

!)B11, 7@; &-D36 simula esta condición en laboratorio y permite calcular la má(ima

resistencia que tiene un geote(til bajo la acción del pun%onamiento



pF pF

hh

dh

da

8igura )C un%onamiento causado por una partícula sobre el geote(til



!onde

=re

q p

F

p

>

>

>

>

8uer%a vertical que el geote(til debe

resistir #@$ resión aplicada #Ga$

resión de inEado #Ga$

!iámetro má(imo de las partículas de agregado o de partículas

+*

> hhOd

a 8actor de pun%onamiento #empuje$ del suelo o partículas

hh

> :ltura de empuje hhH d

a

+6

> 31*da 8actor de escala para ajustar el diámetro del vástago de

pun%onamiento del ensayo :+=5 !)B11, 7@;&-D36#IO*C in$ al+

1> * 4 :

pO:

cde forma para ajustar la forma del vástago de

pun%onamiento del ensayo :+=5 !)B11, 7@; &-D36 a la forma de la

:p

> Prea proyectada de la partícula

:c

> Prea del menor circulo circunscrito

Ta0'a 4! Va')res de A5A

c

"é()d) %- ;erificar si el geote(til que se va a utili%ar es el adecuado ⇒ =req

conocidoK calcular

8+g

&ntonces la ecuación del factor de seguridad global en unidades del sistema internacional es



!onde

=ult

> #@$

pF > #Ga

da

> #mm

"é()d) !- !eterminar la resistencia al pun%onamiento requerida del geote(til

para un factor de seguridad global 8+gestablecido ⇒ 8+

pconocidoK determinar

=req

diseño

+i se asume que se coloca una capa de material granular con partículas angularessobre el geote(til, de tal forma que

+*

> 311

+6

> 31Oda

+1 > 3I

&ntonces la resistencia al pun%onamiento requerida para esas condiciones es

ara determinar la resistencia al pun%onamiento requerida para el diseño bajo lascondiciones establecidas se tiene

: continuación se presentan las gráficas que permiten determinar =req

de diseño

del geote(til, asumiendo un factor de seguridad global 8+g> 63 y factores de

seguridad parcial 8+p> *I y 8+

p> 63, para las condiciones de'nidas



8igura )A resión ;s 0esistencia al pun%onamiento según el tamaño deagregado #8+

g> 63K 8+

p> *I$

8igura )B resión ;s 0esistencia al pun%onamiento según el tamaño deagregado #8+

g> 63K 8+

p> 63$



4!6 Cri(eri) de Re(e&ci/& *TAA,%

&l criterio de retención por =amaño de :bertura :parente #=::$ permite determinar el

tamaño de las aberturas del geote(til para evitar la migración de suelo fino hacia las capas

granulares

!onde

=:: > =amaño de abertura aparente, dato suministrado por el fabricante

.orresponde a la abertura de los espacios libres #en milímetros$ +e

obtiene tami%ando unas esferas de vidrio de diámetros conocidos,

cuando el I2 de un tamaño determinado de esferas pasa a través

!

BI> =amaño de partículas #en milímetros$ que corresponde al BI2 del

suelo que pasa al ser tami%ado &ste dato se obtiene de la curva

/ > .oeficiente que varía entre * y 1 !epende del tipo de suelo a filtrar,de las condiciones de flujo y del tipo del geote(til

ara arenas, arenas gravosas, arenas limosas y arenas arcillosas #con

menos del I32 pasa tami% Q633$, / es función del coeficiente de

uniformidad .u, donde .

u> !

C3O!

*3

6 H .u≤ B ⇒ / > *

6 H .u

≤ ) ⇒ / > 3I ( .u

) H .u≤ B ⇒ / > BO .

u

ara suelos arenosos mal gradados / entre *I y 6

ara suelos 'nos #más del I32 pasa tami% Q633$ / es función del tipo de

geote(til

ara =e idos

/ > * ⇒ =:: ≤ !BI

ara @o =ejidos

/ >*B

⇒ =:: ≤ *B R!

ara aplicaciones de separación, <a ::+S=L 56BB-3I recomienda que

los geote(tiles deben cumplir =:: H 3C3 mm

)6C Cri(eri) de Per3ea0i'idad

&l coeficiente de permeabilidad k , se de'ne como la propiedad hidráulica que tiene un

geote(til, para permitir un adecuado paso de flujo, perpendicular a su plano

ara la función de separación los geote(tiles deben cumplir lo siguiente

*4%7,

T del geote(tilU T del

!onde

T > ψ R t

ψ

t

>>

ermitividad del geote(til&spesor nominal del



#1$

#)$

)) E@E"PLO DE DISE$O#I$

#C$ ara la construcción de una vía nueva se requiere colocar un geote(til de

separación en la interfa% subrasante 4 subbase granular <a vía tendrá un ancho de

cal%ada de A13m #ancho carril 1CIm$ y bermas - cuneta de *B3m, para un ancho total de

corona de *3D3m &l tránsito promedio diario #=!$ para el primer año de servicio es de1333vpd y el tránsito de diseño para un período de *3 años es @ > C(*3 C ejes equivalentes

a B63 ton <a composición vehicular es de C*2 autos, *32 buses y 6D2 camiones <a

presión de inflado es de *33psi > CD3Ga

#A$ &l suelo de subrasante está compuesto por limos arcillosos #5<$, con una

permeabilidad T > 6I(*3-C cmOs +e esta- bleció un ./0 de diseño de 1I2, para una

estructura de pavimento Ee(ible compuesta por subbase y base granular conformados por

materiales angulares y capa asfáltica

#B$ !eterminar el tipo de geote(til para usar como separación en la interfa%

subrasante 4 subbase granular, para los siguientes casos

* ara un geote(til @o =ejido teniendo una +ubbase granular tamaño

má(imo da>

6IN 6ara un geote(til =ejido teniendo una +ubbase granular tamaño

má(imo da

>

)N

#D$

#*3$ :ncho .orona > *3D3 m

#**$

#*6$/erma*B3 m

#*1$

#*)$ :ncho .al%ada >

A13 m#*I$ /er

ma *B3m

#*C$

#*A$ .ap

a :sfáltica /ase

9ranular

#*B$ +ubbase 9ranular

#*D$

#63$

#6*$ +ubrasante 9eote(til de separación

#66$

#61$#6)$

#6I$ Cas) %-

#6C$ a$ 0esistencia al &stallido #5ullen /urst$

#6A$

#6B$ "é()d) !-

!eterminar =req

8+p

> 63

#6D$ 8+g

> 63



#13$ pF > *33psi > CD3Ga#1*$

#16$ da

> C1Imm > 6IN

#11$ =req

> *BDIGa #+egún la 8igura ))$

#1)$ <os geote(tiles @o =ejidos que cumplen esta

condición son @=6I33, @=1333, @=)333, @=I333,

@=C333, @=A333

#1I$ 9eote(til seleccionado @=6I33



101

#1C$

#1A$

#1B$

b$0esistencia a la =ensión #90:/$

#1D$

#)3$ +e veri'ca para geote(til @o =ejido @=6I33#)*$

#)6$ =ult > A13@ #;er :péndice / &speci'caciones !e roductos$

#)1$ ε > UI32#))$

#)I$ f#ε$ > 3I3

#)C$

#)A$ da

> C1Imm > 6IN

#)B$ pF > *33psi > CD3Ga#)D$

#I3$ 8+p

> 63

#I*$

#I6$#I1$

#I)$

c$ 0esistencia al un%onamiento#II$

#IC$ "é()d) !- !eterminar =

#IA$

#IB$ 8+p

> 63

#ID$ 8+g

> 63

#C3$ da

> C1Imm > 6IN

#C*$ pF > *33psi > CD3Ga#C6$

#C1$ +*

> 3D

#C)$ +6

> 3B

#CI$ +1

> 3D

#CC$ =req

> 66A@ #+egún la 8igura )B$

#CA$

#CB$ <os geote(tiles @o =ejidos que cumplen esta condición son#CD$

#A3$ @=*C33, @=*B33, @=6333, @=6I33, @=1333, @=)333, @=I333, @=C333,@=A333#A*$

#A6$ 9eote(til seleccionado @=6I33 #.umple paso a y b$#A1$

d$.riterio de0etención

#=::$

req



101

#A)$

#AI$ 9eote(til @=6I33#AC$

#AA$ =:: H 3Cmm#AB$

#AD$ 3*Imm H 3Cmm #;er :péndice / &speci'caciones !e roductos$#B3$

e$.riterio de ermeabilidad

#B*$#B6$ 9eote(til @=6I33



#633$

Capítulo 4 Josue

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