DISEÑO DEL PAVIMENTO ejemplo andes

Estudio Definitivo para el Mejoramiento y Rehabilitación de la Carretera: Ayacucho-Abancay, Tramo: KM.154+000 – KM.210+000

DISEÑO DEL PAVIMENTO

6.1 GENERALIDADES

El espesor del pavimento se define siguiendo las indicaciones de los Términos de Referencia mediante la aplicación

de los Métodos de Diseño siguientes: AASHTO, ASPHALT INSTITUTE, TRRL, USACE. Los cálculos se realizaron

para dos alternativas: carpeta asfáltica para un período de diseño de 10 años, 20 años y refuerzo a los 10 años para

un periodo de diseño adicional hasta 20 años. La segunda alternativa es pavimento a nivel de tratamiento superficial

bicapa.

6.2 ALTERNATIVA I: CARRETERA ASFALTADA A NIVEL DE CARPETA ASFÁLTICA

8.2.1 MÉTODO AASHTO (1993)

El diseño del pavimento, utilizando el Método AASHTO, versión 1993 (GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT

STRUCTURE 1993).basado en AASHTO Road Test, consiste en determinar el Número Estructural (SN) en función del

Módulo Resiliente de la subrasante (Mr), número de ejes standard anticipado (N), Confiabilidad (R%), Desviación

Standard total (S0), pérdida de serviciabilidad ( PSI) e índices estructurales del pavimento.

Los valores del número estructural se determinan mediante la aplicación de la ecuación de diseño indicada en la Fig.

3.1 del método de diseño.

Figura 3.1

Confiabilidad (R%)

Informe Final


La confiabilidad es la probabilidad de que una sección del pavimento diseñada mediante el método indicado se

comporte satisfactoriamente durante el período de diseño bajo las condiciones de tráfico determinadas.

De acuerdo a lo indicado en los Términos de Referencia se adopta el valor de R=90% para el diseño para 10 años y el

refuerzo.

Desviación Standard Normal

Para el nivel de confiabilidad adoptado, la Desviación Standard Normal resulta ZR = -1.282 para la confiabilidad de 90%

(Tabla 4.1).

Desviación Standard Total

El valor de Desviación Standard Total varía entre 0.40 y 0.50 para pavimento flexible. Se adopta el valor promedio de

S0 = 0.45.

Serviciabilidad

La serviciabilidad de un pavimento es su capacidad de servir al tipo de tráfico que usa la vía (ligero y pesado). La

medida de serviciabilidad es el Índice de Serviciabilidad presente (PSI) que varia entre 0 (carretera intransitable) y 5

(carretera en perfectas condiciones). El valor de la serviciabilidad inicial, de acuerdo a la practica usual, es de p i=4.0

para la carpeta asfáltica y 3.5 para el tratamiento superficial doble

De acuerdo a lo indicado en los Términos de Referencia el Índice de Serviciabilidad final será p t=2.0, por lo que la

pérdida del Índice de Serviciabilidad es p = 2.0. En el Cuadro 8.2.1 se presenta el resumen de los valores de

serviciabilidad aplicados en el diseño.

Informe Final


Tipo de superficie de rodadura pi pt p

Carpeta asfáltica 4.0 2.0 2.0

Tratamiento superficial bicapa 3.5 2.0 1.5

Capacidad soporte de la subrasante.

La capacidad de soporte de la subrasante esta representada por los valores de CBR determinados mediante los

ensayos de laboratorio realizados con las muestras de suelos obtenidas en el campo.

El Método AASHTO 1993 requiere el uso del Modulo de Resiliencia, el cual se obtiene de la correlación con los CBR

mediante las siguientes formulas:

Mr = 1500 * CBR (psi)

para los CBR< 10%

Mr = 3000 * CBR0.65 (psi)

para los CBR de 10% a 20%

Mr = 4326 * lnCBR+241 (psi)

para los CBR > 20%

El Método AASHTO 2002 propone una formula de correlación del Modulo de Resiliencia con el CBR que rige para

todos los casos:

Mr = 2555 * CBR0.64 (psi)

Consideramos que los valores de los Módulos de Resiliencia obtenidos mediante la formula propuesta por el Método

AASHTO 2002 son mas afines a las propiedades de los suelos, por lo que en el presente estudio usaremos esta ultima

correlación.

Número de ejes equivalentes para el período de diseño

El número de repeticiones de ejes equivalentes a 18,000 lbs fue calculado en el estudio de tráfico que forma parte del

presente estudio.

Determinación del espesor de las capas del pavimento

Una vez obtenido el número estructural del pavimento, se calcula el espesor de cada una de las capas del pavimento

con la formula siguiente:

Informe Final


SN = a1D1 + a2m2D2 + a3m3D3

donde:

SN - Número estructural requerido

a1,2,3 - Coeficiente de equivalencia de espesor de las capas del pavimento

m2,3 - Coeficiente de drenaje

D1,2,3 - Espesores de capas del pavimento

El valor del coeficiente de equivalencia de la carpeta asfáltica se obtiene de la Fig. 3.2 para un modulo elástico de

la mezcla asfáltica estimado en 450,000 psi.

Figura 3.2Chart for estimating structural layer coefficient of dense graded asphalt mixes based on the elastic

(resilient) modulus

Los coeficientes de equivalencia de las capas de base y subbase se obtienen de las Fig.

3.3 y 3.4 para los valores de CBR especificados.

Figura 3.3

Variation in Granular Base Layer (a2) with Various Base Strength Parameters (3)

Informe Final

Fuente: AASHTO


Figura 3.4

Variation in Granular Subbase Layer Coefficient (a3) with Various Subbase Strength Parameters (3)

De esta manera se tienen los siguientes coeficientes estructurales para cada una de las capas del pavimento:

Carpeta Asfáltica:

a1 =0.44/pulg. (ver Figura 3.2).

Base Granular:

a2 = 0.14/pulg (ver Figura 3.3)

Subbase Granular:

a3 = 0.12/pulg. (ver Figura 3.4)

El coeficiente de drenaje mi esta en función a la calidad del drenaje de la carretera y al porcentaje del tiempo

durante el año durante el cual el pavimento esta expuesto a niveles de humedad cercanos a la saturación.

Informe Final

Fuente: AASHTO


Considerando una calidad del drenaje regular y del 5% al 25% del tiempo del año exposición a la humedad, los

valores de los coeficientes de drenaje asumidos son los siguientes:

Base Granular : De acuerdo a las especificaciones para materiales de base y de las condiciones de drenaje,

podemos asumir un valor de m2=1.00

Subbase Granular : De acuerdo a las especificaciones para materiales de subbase y de las condiciones de

drenaje, podemos asumir un valor de m3=1.00

Parámetros de diseño

Tráfico de diseño

En el Cuadro 6.2.1 se presentan los valores de EAL, determinados en el estudio de tráfico, para el periodo de diseño

de 10 años, 20 años y el diseño por etapas.

CUADRO 6.2.1

SECTOR

10 años 10-20 años 20 años

CHINCHEROS - DV. RANGRACANCHA (km 173+520) 2.58E+06 3.50E+06 6.08E+06

DV. RANGRACANCHA (km 173+520) - KM 210+000 2.87E+06 3.92E+06 6.79E+06

PERIODO DE DISEÑO

Sectorización de la carretera con fines de diseño del pavimentoPara definir o identificar tramos de características homogéneas o similares que permitan establecer paquetes

estructurales de pavimento, se han realizado:

Muestreos de suelos a lo largo del trazo de la carretera con equidistancia cada 250 m, con la finalidad de

clasificar los mismos.

Muestreos de suelos cada dos kilómetros con el propósito de realizar ensayos CBR.

Los valores de CBR correspondientes al tramo en estudio se presentan en el Cuadro 6.2.2.

CUADRO 6.2.2

Informe Final


PROGRESIVA PROFUNDIDAD CBR CLASIFICACION CLASIFICACION (km) (m) 95% MDS AASHTO SUCS

154+000 0.70-1.50 47.9 A-1-b(0) SM156+000 0.50-1.50 55.2 A-2-4(0) SM-SC158+000 0.20-1.50 34.0 A-1-a(0) GM160+000 0.30-1.70 9.0 A-6(5) CL162+000 0.20-1.70 12.0 A-6(6) CL164+000 0.30-1.70 10.0 A-4(1) GC166+000 0.20-1.70 7.0 A-6(1) GC168+000 0.30-1.70 6.0 A-4(7) ML170+000 0.95-1.50 3.8 A-7-6(14) CL172+000 0.10-1.70 13.0 A-2-4(0) GC174+000 0.30-1.70 6.0 A-6(7) CL176+000 0.30-1.70 3.2 A-6(12) CL178+000 0.40-1.70 5.9 A-4(4) CL180+000 0.60-1.70 11.7 A-5(6) ML182+000 0.40-1.70 14.8 A-4(1) GM184+000 0.20-1.70 2.0 A-7-6(16) ML186+000 0.30-1.70 8.8 A-5(15) MH188+000 0.30-0.90 21.3 A-2-4(0) GC190+000 0.80-1.70 9.2 A-2-5(0) SM192+000 0.30-0.50 22.6 A-2-4(0) GC194+000 0.70-1.70 26.7 A-2-4(0) GM196+000 0.30-1.70 19.2 A-2-6(0) GC

En base a la clasificación de los estratos del subsuelo, perfil estratigráfico y los valores de resistencia de la

subrasante CBR, se han considerado para los fines de diseño del pavimento cinco sectores homogéneos, los que

se indican en el cuadro 6.2.3:

CUADRO 6.2.3

154+000 158+250 45.7 4,250

158+250 166+000 10.3 7,750

166+000 180+000 7.6 14,000

180+000 187+250 11.8 7,250

187+250 195+968 22.5 8,718

PROGRESIVAS (km)

Longitud (m)

SECTORES HOMOGENEOS

CBR (%)

Informe Final


Descripción de la estratigrafía de los sectores homogéneos

Km 154+000 – km 158+250

Superficialmente se encuentra una capa del material gravoso, clasificado como grava arcillosa (GC) de un espesor

entre 0.20 y 0.30 m. Debajo de esta capa superficial el subsuelo está conformado por intercalación de suelos

granulares gruesos clasificados como grava limosa (GM) y grava limo-arcillosa (GM-GC), medianamente densa,

ligeramente húmeda, color de marrón claro a marrón oscuro, y suelo granular fino, arena limo-arcillosa y limosa,

medianamente densas, ligeramente húmedas, el contenido de humead varía entre 2.4% y 14.1%. En la progresiva

km 158+250 aparece un estrato de limo inorgánico de baja plasticidad, clasificado como (ML), el que se encuentra

en el estado medianamente compacto, ligeramente húmedo. Estos estratos llegan hasta una profundidad de 1.70

m.

Km 158+250 – km 166+000

Este sector se caracteriza por la presencia de una capa de afirmado superficial cuyo espesor varía entre 0.20 y

0.30 m y está clasificado como grava arcillosa (GC). Debajo de la capa superficial predominan arcillas de baja

plasticidad de color marrón oscuro, medianamente compactas, con el contenido de humedad entre 2.7% y 12.0%,

intercalados con estrato de grava arcillosa que clasifica como GC, medianamente densa, ligeramente húmeda, El

porcentaje de humedad se encuentra entre 3.8% y 9.4%. En las progresivas km 158+750, km 161+250 a km

161+500 y km 163+250 se aprecia un estrato de limo de baja plasticidad con el contenido de humedad de 6.5% a

8.6%

Km 166+000 – km 173+520

El subsuelo de este sector se caracteriza por la intercalación de los estratos de grava arcillosa (GC), grava limosa

(GM) y grava mal graduada limosa (GP-GM) en estado medianamente denso, con la humedad de 3.1% a 7.6% y

en las progresivas km 169+750, km 171+000, km 171+500 se observa estrato de limo de baja plasticidad

inorgánico (ML), medianamente compacto, el contenido de humedad varía entre 12.9% y 17.3%, arcilla de

mediana plasticidad, inorgánica clasificada como CL, de bajo contenido de humedad medianamente compacta. En

la progresiva km 169+000 se observa que el suelo (CL) tiene alto contenido de humedad (28.7%), sin embargo

este se encuentra por debajo del LL.

km 173+520 - Km 180+000

En estas progresivas el subsuelo está conformado por una intercalación de los estratos de grava arcillosa (GC),

grava limosa (GM), y grava limo-arcillosa (GM-GC) medianamente densas, de bajo contenido de humedad de

1.0% a 6.1%, con los estratos de arcilla de baja plasticidad, inorgánica, clasificada como CL, humedad entre 4.6%

y 12.6%, en la progresiva km 178+250 el contenido de humedad es de 26.7%. Y limo inorgánico, de baja

plasticidad (ML), medianamente compacto con la humedad entre 11.4% y 16.7%.

Informe Final


Km 180+000 - Km 187+250

Superficialmente se encuentra una capa de grava arcillosa (GC) de 0.20 a 0.40 m de espesor. En la progresiva km

181+500, el estrato de limo (ML) que se encuentra entre 0.40 m y 1.20 m de profundidad se encuentra saturado, el

contenido de humedad es de 31.9% que supera el LL de 26.0%. Debajo de la capa superficial se encuentran

estratos de suelos finos: arcilla inorgánica de baja plasticidad (CL) en las progresivas km 182+750, km 184+250,

km 184+500, km 185+000, km 185+500 y km 186+250 medianamente compactos con la humedad de 9.2% a

23.8%. En las progresivas km 183+250, km 184+000 y km 184+500 se encuentran estratos de limo de mediana

plasticidad, inorgánico, clasificado como ML en estado medianamente compacto con la humedad de 19.7% a

28.1%. En las progresivas km 185+250y km 186+000 se observa un estrato de limo de alta plasticidad, inorgánico

(MH), medianamente compacto, húmedo, con el contenido de humedad de 20.4% a 29.4%. En la progresiva km

185=250 a la profundidad de 0.90 m se encuentra roca. En la progresiva km 183+000 a la profundidad de 1.20 m

se encuentra roca. En el km 185+750 se encuentra un estrato de grava limosa, medianamente densa, seca con el

contenido de humedad de 1.6%.

Km 187+250 – km 195+968

Debajo de la capa superficial de grava arcillosa la que está compuesta por un lastrado antiguo mezclado con el

suelo de la subrasante de espesor entre 0.20 y 0.30 m, predominan en este sector los estratos de grava arcillosa

(GC), grava bien graduada (GW), grava limo-arcillosa, de mediana densidad, la humedad es de 1.3% a 6.7% y

suelos granulares finos representados por arena limosa clasificada como SM, medianamente densa, húmeda con

el contenido de humedad entre 12.2% y 22.6%. En la progresiva km 187+000 se encuentra un estrato de limo

inorgánico de alta plasticidad, clasificado como MH, medianamente compacto, húmedo con el contenido de

humedad de 30.4%. En las progresivas km 187+255 a km 187+500, km 188+000 a km 188+250 se encuentra roca

a una profundidad de 0.90 m y 1.20 m. En la progresiva km 189+000 se observa un estrato de arcilla inorgánica,

de baja plasticidad, clasificada como CL, medianamente compacta, seca, con el contenido de humedad de 1.4%.

Entre las progresivas km 191+250–km 192+250 se encuentra un estrato de arcilla de baja plasticidad (CL) de color

marrón, semi compacta, ligeramente húmeda con el contenido de humedad de 11.4%. En las progresivas km

192+500 a km 192+750 a la profundidad de 0.80 m yace roca En las progresivas km 193+500 a km 193+750 se

encuentra un estrato de arcilla inorgánica, de baja plasticidad ligeramente húmeda, con el contenido de humedad

entre 5.7% y 12.5%. En las progresivas km 195+000 y km 195+750 se observa un estrato de limo inorgánico de

alta plasticidad (MH), compacto, seco con contenido de humedad de 4.3%.

Informe Final


Parámetros de diseño

Para el cálculo de los espesores del pavimento, según el método AASHTO, se emplea el promedio de los valores

de CBR para cada sector homogéneo, omitiendo los valores extremos para no distorsionar el promedio. Luego

para cada valor promedio de CBR se determinó el valor del modulo resiliente siguiendo las formulas

correspondientes a cada rango de CBR.

En los sectores a los que corresponden valores de CBR que están por debajo del promedio considerado para el

diseño del pavimento se recomienda mejorar la subrasante para compensar la capacidad soporte de la misma.

En el Cuadro siguiente se presenta los resultados de los cálculos de los valores del CBR de diseño para cada

sector homogéneo.

CALCULOS DEL CBR DE DISEÑO POR SECTORES HOMOGENEOS

PROGRESIVA PROFUNDIDAD CLASIFICACION CLASIFICACION CBR CBR Mrkm m SUCS AASHTO PROMEDIO DISEÑO

% % (psi)(95% MDS) (95% MDS)

154+000 0.70-1.50 SM A-1-b(0) 47.9 47.9156+000 0.50-1.50 SM-SC A-2-4(0) 55.2 55.2158+000 0.20-1.50 GM A-1-b(0) 34.0 34.0 45.7 29494160+000 0.30-1.70 CL A-6(5) 9.0 9.0162+000 0.20-1.70 CL A-6(6) 12.0 12.0164+000 0.30-1.70 GC A-4(1) 10.0 10.0 10.3 11390166+000 0.20-1.70 GC A-6(1) 7.0 7.0168+000 0.30-17.70 ML A-4(7) 6.0 6.0170+000 0.60-1.70 CL A-7-6(14) 3.8*172+000 0.10-1.70 GC A-2-4(0) 13.0 13.0174+000 0.30-1.70 SP-SM A-6(7) 6.0 6.0176+000 0.30-1.70 CL A-6(12) 3.2*178+000 0.40-1.70 CL A-4(4) 5.9 5.9 7.6 9341180+000 0.60-1.70 ML A-5(6) 11.7 11.7182+000 0.40-1.70 GM A-4(1) 14.8 14.8184+000 0.20-1.70 ML A-7-6(16) 2.0*186+000 0.30-1.70 ML A-5(15) 8.8 8.8 11.8 12377188+000 0.30-0.90 GC A-2-4(0) 21.3 21.3190+000 0.80-1.70 SM A-2-5(0) 9.2*192+000 0.30-0.50 GC A-2-4(0) 22.6 22.6194+000 0.70-1.70 GM-GC A-2-4(0) 26.7 26.7196+000 0.30-1.70 GC A-2-6(0) 19.2 19.2 22.5 18714

CBR USADO PARA EL CALCULO

DEL PROMEDIO

* Valores del CBR no considerados para el promedio

En el Cuadro 6.2.4 se presentan los parámetros de diseño determinados para el diseño del pavimento para cada

uno de los sectores homogéneos en el tramo en estudio, considerando tanto la capacidad soporte de la

subrasante como los valores del tráfico.

CUADRO 6.2.4

Informe Final


CBR Mr% (psi)

1 154+000 158+250 2.58E+06 3.50E+06 6.08E+06 45.7 29,4942 158+250 166+000 2.58E+06 3.50E+06 6.08E+06 10.3 11,3903 166+000 173+520 2.58E+06 3.50E+06 6.08E+06 7.6 9,3414 173+520 180+000 2.87E+06 3.92E+06 6.79E+06 7.6 9,3415 180+000 187+250 2.87E+06 3.92E+06 6.79E+06 11.8 12,3776 187+250 195+968 2.87E+06 3.92E+06 6.79E+06 22.5 18,714

Resistencia sueloTrafico EAL

10 Años

Trafico EAL

20 Años

PARAMETROS DE DISEÑO

SECTOR (km)

PROGRESIVAS (km)

Trafico EAL

10-20 Años

Cálculo del Número Estructural Total requerido (SNreq)

Los cálculos del número estructural de diseño (SNdis), que corresponde a los valores exactos de los espesores de

las capas del pavimento y el número estructural obtenido (SNobt) que representa los espesores redondeados, así

como los espesores del pavimento se realizarán mediante un programa de cómputo.

En el Anexo se presentan los resúmenes de los cálculos realizados mediante el programa de cómputo.

En el Cuadro N° 6.2.5 se presentan los valores de los números estructurales obtenidos y de diseño

correspondientes a los periodos de diseño de 10 y 20 años.

CUADRO 6.2.5

km km SN obt SN dis SN obt SN dis

1 154+000 158+250 2.39 2.37 2.77 2.72

2 158+250 166+000 3.38 3.36 3.84 3.83

3 166+000 173+520 3.61 3.61 4.12 4.10

4 173+520 180+000 3.71 3.67 4.19 4.17

5 180+000 187+250 3.33 3.32 3.80 3.79

6 187+250 195+968 3.09 2.86 3.33 3.27

PROGRESIVAS 20 añosSECTOR

10 años

En el Cuadro 6.2.6 se presentan los espesores de las capas del pavimento obtenidos mediante el Método

AASHTO para un periodo de diseño de 10 años:

Informe Final


CUADRO 6.2.6

km km SN obt SN dis CA BASE SUBBASE(cm) (cm) (cm)

154+000 158+250 2.39 2.37 9.0 15.0 -

158+250 166+000 3.38 3.36 9.0 15.0 21.0

166+000 173+520 3.61 3.61 9.0 15.0 26.0

173+520 180+000 3.71 3.67 9.0 15.0 28.0

180+000 180+000 3.33 3.32 9.0 15.0 20.0

180+000 187+250 3.09 2.86 9.0 15.0 15.0

TRAMO PERIODO DE DISEÑO 10 años

En el Cuadro 6.2.7 se presentan los resultados de los cálculos de espesores de capas del pavimento obtenidos

mediante el Método AASHTO para un periodo de diseño de 20 años:

CUADRO 6.2.7

km km SN obt SN dis CA BASE SUBBASE(cm) (cm) (cm)

154+000 158+250 2.77 2.72 9.0 22.0 -

158+250 166+000 3.84 3.83 9.0 20.0 25.0

166+000 173+520 4.12 4.10 9.0 25.0 25.0

173+520 180+000 4.19 4.17 9.0 22.0 30.0

180+000 187+250 3.80 3.79 9.0 15.0 30.0

187+250 195+968 3.33 3.27 9.0 15.0 20.0


Alternativa del pavimento considerando solo la capa de base.

La zona donde esta ubicada la carretera en estudio se caracteriza por la escasez de canteras de material granular

que cumple con las especificaciones para subbase y base. Para las capas de base se usará el material chancado

de la cantera de roca. Para obtener el material para las capas de subbase se tiene que mezclar el agregado

chancado con material de canteras de relleno. Con la finalidad de simplificar el proceso constructivo y bajar los

costos se propone la alternativa de diseño del pavimento considerando solamente la carpeta asfáltica y la capa de

base.

En los cuadros 6.2.6 A y 6.6.7 A se presentan los espesores del pavimento calculados para los periodos de

diseño de 10 años y 20 años.

Informe Final


CUADRO 6.2.6 A

km km SN obt SN dis CA BASE(cm) (cm)

154+000 158+250 2.39 2.37 9.0 15.0

158+250 166+000 3.38 3.36 9.0 33.0

166+000 173+520 3.65 3.61 9.0 38.0

173+520 180+000 3.71 3.67 9.0 39.0

180+000 180+000 3.32 3.32 9.0 32.0

180+000 187+250 2.39 2.86 9.0 24.0


CUADRO 6.2.7 A

km km SN obt SN dis CA BASE(cm) (cm)

154+000 158+250 2.77 2.72 9.0 22.0

158+250 166+000 3.87 3.83 9.0 42.0

166+000 173+520 4.15 4.10 9.0 47.0

173+520 180+000 4.20 4.17 9.0 48.0

180+000 180+000 3.82 3.79 9.0 41.0

180+000 187+250 3.32 3.27 9.0 32.0


Calculo del refuerzo del pavimento a los 10 años

El refuerzo que requiera el pavimento a los 10 años para prolongar el periodo de diseño hasta 20 años se calcula

mediante la formula siguiente:

SNref = SNreq - SNeff

Donde:

SNref - Numero Estructural de Refuerzo

SNreq - Numero Estructural requerido para el nuevo periodo de diseño

SNeff - Numero Estructural efectivo en el año del refuerzo

Numero Estructural Efectivo del pavimento

Informe Final


El Método AASHTO proporciona la formula siguiente para el cálculo del Numero Estructural Efectivo del

pavimento:

RL=100(1-(Np/ N1.5))

Donde:

RL - Porcentaje de vida remanente

Np - EAL a la fecha de refuerzo

N1.5 - EAL al termino de la vida útil o cuando pt=1.5

El número estructural efectivo se determina mediante la formula siguiente:

SNeff =CF * SN0

Donde:

SNeff - Numero Estructural efectivo en el año del refuerzo (año 10)

CF - Factor de condición

SN0 - Numero Estructural en el año del refuerzo (año 10)

De la Figura 5.2 del manual de AASHTO se obtienen los valores de CF.

Relación entre el Factor de Condición y la Vida Remanente

Fig. 5.2

Cálculo del Número Estructural Efectivo (SNeff) y del refuerzo (SNref) para la etapa 10-20 años

En base a la aplicación de la metodología AASHTO 1993 se han obtenido los siguientes resultados:

Alternativa del pavimento considerando la capa de base y subbase.

Informe Final


CUADRO 6.2.8

154+000 158+250 2.58E+06 2.93E+06 11.9 0.70 2.39 1.68

158+250 166+000 2.58E+06 3.39E+06 23.9 0.79 3.38 2.67

166+000 173+520 2.58E+06 3.51E+06 26.5 0.80 3.62 2.91

173+520 180+000 2.87E+06 3.91E+06 26.6 0.80 3.68 2.96

180+000 187+250 2.87E+06 3.72E+06 22.8 0.78 3.33 2.61

180+000 187+250 2.87E+06 5.82E+06 50.7 0.89 3.09 2.76

SNeffTRAMO

km kmNp N1.5 RL CF SN0

Reemplazando los valores obtenidos en las formulas correspondientes se calculan los espesores de refuerzo que

es necesario colocar a los 10 años. En el Cuadro 6.2.9 se presenta el espesor de refuerzo.

CUADRO 6.2.9

154+000 158+250 1.68 2.49 0.81 5.0

158+250 166+000 2.67 3.52 0.85 5.0

166+000 173+520 2.76 3.78 1.02 6.0

173+520 180+000 2.96 3.84 0.88 6.0

180+000 187+250 2.61 3.48 0.87 6.0

187+250 195+968 2.76 3.00 0.24 3.0

TRAMO

kmkmSNeff SN req SN ref

Refuerzo (cm)

Alternativa del pavimento considerando solo la capa de base.

CUADRO 6.2.8 A

154+000 158+250 2.58E+06 2.93E+06 11.9 0.70 2.39 1.68

158+250 166+000 2.58E+06 3.39E+06 23.9 0.79 3.38 2.67

166+000 173+520 2.58E+06 3.73E+06 30.8 0.82 3.62 2.98

173+520 180+000 2.87E+06 4.15E+06 30.8 0.82 3.68 3.03

180+000 187+250 2.87E+06 3.66E+06 21.6 0.78 3.33 2.59

180+000 187+250 2.87E+06 3.58E+06 19.8 0.77 3.09 2.37

TRAMONp N1.5 RL CF SN0 SNeff

km km

CUADRO 6.2.9 A

Informe Final


154+000 158+250 1.68 2.49 0.81 5.0

158+250 166+000 2.67 3.52 0.85 5.0

166+000 173+520 2.98 3.78 0.80 5.0

173+520 180+000 3.03 3.84 0.81 5.0

180+000 187+250 2.59 3.48 0.89 6.0

187+250 195+968 2.37 3.00 0.63 4.0

TRAMOSNeff SN req SN ref

Refuerzo (cm)km km

8.2.2 MÉTODO DEL INSTITUTO DE ASFALTO (1991)A fin de determinar el espesor del pavimento requerido, se utilizara el Método de diseño para pavimentos flexibles

del ASPHALT INSTITUTE 1991, el mismo que requiere de los siguientes parámetros:

Trafico EAL

Modulo Resilente Mr

Condiciones Ambientales de Temperatura

Estos parámetros han sido cuidadosamente analizados con el fin de establecer los parámetros que se usaron en

los cálculos.

Número de ejes equivalentes para el período de diseño

El número de aplicaciones de carga por eje simple equivalente a 18,000 Lbs (80 kN), EAL (Equivalent Axle Load),

es el mismo que se uso en la metodología anterior.

Capacidad soporte de la subrasante.

El cálculo de los valores de CBR de diseño en el Método del Instituto de Asfalto esta basado en valores

percentiles, los que dependen del tráfico y se indican en el cuadro siguiente:

Los datos EAL para la carretera en estudio esta dentro del rango “10E6 ó más”, por lo que para el calculo del CBR

de diseño se aplica el percentil de 87.5%.

En el Cuadro 6.2.10 se presentan los valores del CBR calculados al 87.5% percentil y los Módulos de Resiliencia (Mr) correspondientes.

CUADRO 6.2.10

Informe Final

NIVEL DE TRAFICO (EAL) PERCENTIL DE DISEÑO (%)

10E4 ó menos

entre 10E4 y 10E6

10E6 ó más

60

75

87.5


154+000 158+250 2.58E+06 3.50E+06 6.08E+06 37.5 387.8

158+250 166+000 2.58E+06 3.50E+06 6.08E+06 9.3 96.2

166+000 173+520 2.58E+06 3.50E+06 6.08E+06 3.7 38.3

173+520 180+000 2.87E+06 3.92E+06 6.79E+06 3.7 38.3

180+000 187+250 2.87E+06 3.92E+06 6.79E+06 4.6 47.6

187+250 195+968 2.87E+06 3.92E+06 6.79E+06 14.2 146.9

M r (Mpa)

Trafico EAL 10 Años

CBR (87.5 %

percentil)

TRAMO

km km

Trafico EAL 20 Años

Trafico EAL 10-20 Años

Los valores de Mr se han estimado a partir de CBR usando la correlación recomendada por ASPHALT INSTITUTE 1991:

Mr = 10.342*CBR (MPa)

Condiciones ambientales de temperaturaEl Método de Diseño del Pavimento del Instituto de Asfalto ha desarrollado las Cartas de Diseño de los espesores del pavimento para tres grupos de condiciones ambientales representativas, como sigue:

Temperatura Media Anual del Aire Efecto de la Helada

< 7°C Si

15.5°C Posible

>24°C No

Las condiciones ambientales de la carretera en estudio corresponden al segundo grupo, por lo que para definir los espesores se utilizarán las Cartas de Diseño con MAAT=15.5°C.

Determinación del espesor de las capas del pavimentoDeterminadas las repeticiones de carga a las que estará sometido el pavimento y considerando el Mr de diseño percentil adoptado, se procede a determinar el espesor del pavimento en base a los métodos establecidos por ASPHALT INSTITUTE.La metodología esta basada en los monogramas de diseño propuestos por MANUAL SERIES N° 1 (MS-1) versión de febrero del 1991 del ASPHALT INSTITUTE. Los resultados de cálculos de los espesores del pavimento para los periodos de diseño de 10 y 20 años se presentan en el Cuadro 6.2.11:

CUADRO 6.2.11

CARPETA BASE CARPETA BASEkm km ASFALTICA GRANULAR ASFALTICA GRANULAR

(cm) (cm) (cm) (cm)

154+000 158+250 12.5 15.0 14.0 15.0

158+250 166+000 20.0 15.0 26.0 15.0

166+000 173+520 27.0 15.0 32.0 15.0

173+520 180+000 27.5 15.0 32.5 15.0

180+000 187+250 26.0 15.0 32.0 15.0

187+250 195+968 17.5 15.0 24.0 15.0

PERIODO DE DISEÑO 10 AÑOSTRAMO PERIODO DE DISEÑO 20 AÑOS

Determinación del espesor del refuerzo del pavimento para el periodo de diseño de 10 a 20 años

El método de diseño para construcción por etapas esta basado en el concepto de vida remanente. Se presume que la

segunda etapa se construirá antes de que el pavimento tenga serias fallas por fatiga. Para que la segunda capa de la

Informe Final


carpeta asfáltica funcione de manera efectiva conjuntamente con la primera la segunda capa tiene que aplicarse

cuando el daño acumulado en la primera capa no exceda 60% o la vida remanente sea no menor del 40%.

Los siguientes parámetros serán aplicados en el diseño:

n1 - EAL para período de diseño de 10 años

n2 - EAL para período de diseño de 10 a 20 años

N1 - EAL corregido para período de diseño de 10 años

N2 - EAL corregido para período de diseño de 10 a 20 años

h1 - espesor del pavimento para período de diseño de 10 años

h2 - espesor del pavimento para período de diseño de 10 a 20 años

hs - espesor del refuerzo del pavimento

Donde:

N1 = 1.67 n1

N2 = 2.5 n2

hs = h2 - h1

En el Cuadro 6.2.12 se presentan los resultados de los cálculos de refuerzo realizados

CUADRO 6.2.12

154+000 158+250 2.58E+06 3.50E+06 4.31E+06 8.75E+06 162.50 206.30 5.0

158+250 166+000 2.58E+06 3.50E+06 4.31E+06 8.75E+06 262.50 312.50 5.0

166+000 173+520 2.58E+06 3.50E+06 4.31E+06 8.75E+06 325.00 368.50 5.0

173+520 180+000 2.87E+06 3.92E+06 4.79E+06 9.80E+06 331.30 375.00 5.0

180+000 187+250 2.87E+06 3.92E+06 4.79E+06 9.80E+06 312.50 358.30 5.0

187+250 195+968 2.87E+06 3.92E+06 4.79E+06 9.80E+06 241.70 287.50 5.0

Refuerzo (hs) (cm)

n2 N1 N2

TRAMO

km kmn1

h1

(cm)

h2

(cm)

6.3 ALTERNATIVA II: CARRETERA PAVIMENTADA A NIVEL DE TRATAMIENTO SUPERFICIAL DOBLE

Existen diferentes métodos para el diseño de la superficie de rodadura consistente en el tratamiento superficial

doble. A continuación se exponen algunos de ellos:

Método TRRL

El método TRRL ha sido desarrollado por el TRRL de Gran Bretaña y consiste en procedimiento de diseño para

caminos con tratamiento superficial bituminoso en los países tropicales y subtropicales. Los espesores requeridos se

obtienen en función al CBR de la subrasante y número de repeticiones de ejes standard.

El método es aplicable para repeticiones de hasta 1’000,000 de ejes equivalentes de 18,000 libras por lo que no

procede el uso de este método para el presente estudio por tener el numero de EAL superior.

Método del CUERPO DE INGENIEROS DEL EJÉRCITO NORTEAMERICANO (USACE)

Informe Final


El procedimiento de este método se basa en ecuaciones que permiten determinar el espesor de material requerido

sobre una capa o subrasante de un CBR conocido. La condición es que el CBR del material de la capa superior sea

mayor que el de la subyacente.

El espesor del pavimento obtenido mediante este método es tal que permite un cierto número de repeticiones, antes

que la estructura alcance un nivel de deformación que corresponda a una serviciabilidad baja.

Este método ha sido desarrollado para los caminos de bajo transito con repeticiones de hasta 1’000,000 de ejes

equivalentes de 18,000 libras por lo que no es aplicable para la carretera en estudio.

Método US FOREST SERVICE

Este método se basa en los siguientes factores básicos:

- Soporte del suelo (SS)- parámetro empírico de resistencia del suelo que se correlaciona con el valor de CBR

- Número Estructural (SN)

SN = a1D1 + a2D2 + a3D3

donde:

Di - el espesor en pulgadas

ai - coeficiente de equivalencia del espesor

Este método ha sido desarrollado para los caminos de bajo transito con repeticiones menores a 1’000,000 de ejes

equivalentes de 18,000 libras por lo que no es aplicable para la carretera en estudio.

Método AASHTO

Consideramos que para el número de repeticiones de ejes equivalentes para el periodo de 10 años, que fueron

calculados en el estudio de tráfico, no es conveniente un pavimento a nivel del Tratamiento Superficial Bicapa. Sin

embargo para dar cumplimiento con lo señalado en los Términos de Referencia se calcularan los espesores del

pavimento para esta alternativa.

Como hemos visto los métodos convencionales previstos para este tipo de pavimento no pueden usarse debido al

EAL mas alto que el máximo previsto en estos métodos, por lo que se aplicará el Método AASHTO para calcular los

espesores de las capas granulares mediante la estimación del número estructural total, tomado en cuenta que el

tratamiento superficial bicapa no aporta el número estructural al paquete del pavimento.

Los siguientes coeficientes estructurales se usaron para el cálculo de espesores:

Tratamiento superficial bicapa (no tiene aporte estructural):

a1 = 0.00/pulg.

Base Granular:


Subbase Granular:

Informe Final



De acuerdo a los cálculos realizados, cuyo detalle se incluye en el Anexo, en el Cuadro 6.3.1 se presentan los

espesores resultantes de los cálculos de pavimento realizados para la alternativa Tratamiento Superficial Bicapa.

CUADRO 6.3.1

km km SN obt SN req TSB* BASE SUBBASE (cm) (cm) (cm)

154+000 158+250 2.43 2.42 2.5 20.0 28.0

158+250 166+000 3.54 3.54 2.5 30.0 40.0

166+000 173+520 3.87 3.84 2.5 36.0 40.0

173+520 180+000 3.92 3.91 2.5 36.0 41.0

180+000 187+250 3.54 3.50 2.5 30.0 40.0

187+250 195+968 2.98 2.96 2.5 24.0 35.0

PERIODO DE DISEÑO 10 añosTRAMO

* El espesor del TSB indicado es aproximado, el espesor real esta en función a la gradación de los agregados

Determinación del espesor del refuerzo del pavimento para el periodo de diseño de 10 a 20 años

El calculo del espesor del refuerzo a colocarse al termino de 10 años se determina siguiendo la metodologia de

AASHTO 1993 explicada en el numeral 6.2.1.

Calculo del Numero Estructural Efectivo (SNeff) y del refuerzo (SNref) para la etapa 10-20 años

En base a la aplicación de la metodología AASHTO 1993 se han obtenido los siguientes resultados:

Informe Final


CUADRO 6.3.2

154+000 158+250 2.58E+06 2.95E+06 12.5 0.71 2.43 2.00

158+250 166+000 2.58E+06 3.62E+06 28.7 0.81 3.54 2.88

166+000 173+520 2.58E+06 4.12E+06 37.4 0.85 3.87 3.29

173+520 180+000 2.87E+06 4.47E+06 35.8 0.84 3.92 3.31

180+000 187+250 2.87E+06 4.39E+06 34.6 0.84 3.54 2.97

180+000 187+250 2.87E+06 3.73E+06 23.1 0.78 2.98 2.34

TRAMONp N1.5 RL CF SN0 SNeff

km km

Reemplazando los valores obtenidos en las formulas correspondientes se calculan los espesores de refuerzo que

es necesario colocar a los 10 años. En el Cuadro 6.3.3 se presenta el espesor de refuerzo.

CUADRO 6.3.3

154+000 158+250 2.00 2.55 0.55 4.0

158+250 166+000 2.88 3.53 0.65 4.0

166+000 173+520 3.29 4.04 0.75 5.0

173+520 180+000 3.31 4.11 0.80 5.0

180+000 187+250 2.97 3.69 0.72 5.0

187+250 195+968 2.34 3.13 0.79 5.0

TRAMOSNeff SN req SN ref

Refuerzo (cm)km km

DISEÑO DEL PAVIMENTO POR ETAPAS

Una alternativa importante por sus ventajas económicas, especialmente en carreteras de penetración es la

construcción por etapas. Se diseña una estructura para un período determinado, para mejorarla una vez que el trafico

ha crecido lo suficiente para justificarlo. En nuestro medio se acostumbra diseñar para 10 años y luego reforzar el

pavimento hasta llegar a los 20 años.

Alternativa 1 Carpeta Asfáltica

La alternativa de carpeta asfáltica se identifica con los niveles de servicio de la carretera superiores a la de la

alternativa 2 y permite a los usuarios ahorros en combustibles, tiempo de viaje, mantenimiento de las unidades, etc.,

así como con la disminución sustancial de los trabajos de mantenimiento.

El mantenimiento rutinario demanda inversiones menores y el periódico puede ser necesario a partir de los 10 años de

la rehabilitación de la carretera.

En el año 10 de la carpeta asfáltica, previa evaluación superficial, funcional y estructural del estado del pavimento,

consistente en lo siguiente:

Limpieza de la superficie

Informe Final


Reparacion de fallas superficiales

Riego de liga

Colocación del refuerzo con mezcla asfáltica en caliente de espesor correspondiente para cada uno de los

sectores homogéneos según el diseño de refuerzo

Alternativa 2 Tratamiento Superficial Bicapa

Para esta alternativa de superficie de rodadura es necesario prever el mantenimiento periódico de la misma

consistente, como una de las posibilidades, en sellado de la superficie de rodadura cada 3 a 4 años. El mantenimiento

de los niveles de servicio de la carretera en este caso dependerá del cumplimiento de las tareas previstas en el

mantenimiento tanto rutinario, como periódico y control de las cargas de los vehículos que transitaran en la carretera.

Debe señalarse que dado el alto volumen del tráfico proyectado para el periodo de diseño y las características

geográficas de la zona, no es la alternativa recomendable. Además se debe tomar en consideración que

históricamente en el Perú el Mantenimiento es deficiente, por lo tanto esta alternativa tiene la incógnita de cómo será el

mantenimiento futuro y la oportunidad de su ejecución de acuerdo a un monitoreo del trafico y cargas después de la

rehabilitación y mejoramiento de la carretera, bajo las condiciones de diseño previstas en el presente estudio.

Al término de 10 años contados a partir de la pavimentación de la carretera y de acuerdo con los resultados de la

evaluación superficial, funcional y estructural previa del pavimento, se realizará el refuerzo del pavimento mediante las

siguientes acciones:

Fresar la superficie de rodadura

Mezclar el material fresado (TSD) con el material de base, reconformándolo y compactándolo.

Imprimar la capa de base

Colocar refuerzo con mezcla asfáltica en caliente de espesor correspondiente para cada uno de los sectores

homogéneos según el diseño de refuerzo, incluyendo el ancho de las bermas.

6.4 PAVIMENTO RÍGIDO EXISTENTE PROGRESIVAS KM 154+000 – KM 154 + 240

En la zona urbana de Chincheros el pavimento existente es del tipo rígido constituido transversalmente por 4

losas armadas de concreto hidráulico con las siguientes dimensiones: las dos losas centrales 2.80 m de ancho y

4.55 m de longitud. Las losas laterales tienen un ancho variable entre 1.47 m mínimo y 4.00 m máximo, que

incluye los sobreanchos en las curvas de la avenida. El espesor promedio de las losas centrales es de 0.20 m, las

losas laterales tienen un espesor promedio de 0.12 m. Las juntas de construcción entre las losas tienen un ancho

entre 6 .0 y 8.0 cm y no cuentan con el sello.

Se ha realizado el relevamiento de las losas de concreto hidráulico anotando en una planilla las fallas encontradas. En

base a los resultados del relevamiento se llego a la conclusión que las losas centrales se encuentran en el estado

regular, presentando algunas fracturas, fisuraciones y/o hundimientos.

Informe Final


Las losas laterales se encuentran en mal estado, presentando gran deterioro, el que se debe al menor espesor de

las mismas. Se observan fisuras, hundimientos y desintegración parcial. Todas las losas laterales deben ser

reemplazadas por no contar con el espesor mínimo.

Dentro de las obras a ejecutar como parte del mejoramiento y rehabilitación de la carretera en estudio se ha

considerado la construcción de cunetas laterales en la zona urbana de Chincheros a ambos lados de la calle, lo

que implica la rotura parcial del pavimento rígido.

Debido al estado general de las losas y con la finalidad de proporcionar una buena transitabilidad al usuario de la

carretera desde el inicio del tramo, se considera reemplazar el pavimento rígido de la parte urbana de Chincheros por

el pavimento flexible con los espesores considerados en el diseño del sector homogéneo correspondiente.

6.5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.5.1 El pavimento ha sido diseñado por dos métodos: AASHTO e Instituto de Asfalto. Los valores de espesores

obtenidos mediante el método del Instituto de Asfalto son más altos que los obtenidos por el método

AASHTO. En el cuadro 6.5.1 se presentan los espesores obtenidos mediante los Métodos de AASHTO e

Instituto de Asfalto.

CUADRO 6.5.1

km km CA BASE SUBBASE CA BASE CA BASE(cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm)

154+000 158+250 9.0 15.0 - 9.0 15.0 12.5 15.0

158+250 166+000 9.0 15.0 21.0 9.0 33.0 20.0 15.0

166+000 173+520 9.0 15.0 26.0 9.0 38.0 27.0 15.0

173+520 180+000 9.0 15.0 28.0 9.0 39.0 32.5 15.0

180+000 187+250 9.0 15.0 20.0 9.0 32.0 26.0 15.0

187+250 195+968 9.0 15.0 15.0 9.0 24.0 17.5 15.0

AASHTO

PERIODO DE DISEÑO 10 añosTRAMO

INSTITUTO DE ASFALTOAASHTO

6.5.2 Los espesores del pavimento obtenidos por el método AASHTO se ajustan mas fielmente a los

parámetros del diseño, por lo que la alternativa recomendada a tomar en consideración es el diseño

realizado por este método.

6.5.3 La comparación económica de la alternativa del pavimento con las capas de base (material chancado de la

cantera de roca) y subbase (mezcla de 70% de material chancado de la cantera de roca con 30% de

material de la cantera de relleno) y la que considera solamente el uso de base (material chancado de la

cantera de roca) demostró que los costos de la segunda alternativa son mas bajos por lo que se

recomienda la alternativa del diseño del pavimento obtenida mediante el Método AASHTO 1993 con

carpeta asfáltica en caliente y la capa de base granular para un periodo de diseño de 10 años y un

refuerzo a colocar a los 10 años. Los espesores recomendados de las capas del pavimento incluyendo el

refuerzo a los 10 años se muestran en el cuadro 6.5.2:

Informe Final


CUADRO 6.5.2

Refuerzo a los 10 añoskm km CA BASE CA

(cm) (cm) (cm)

154+000 158+250 9.0 15.0 5.0

158+250 166+000 9.0 33.0 5.0

166+000 173+520 9.0 38.0 5.0

173+520 180+000 9.0 39.0 5.0

180+000 187+250 9.0 32.0 6.0

187+250 195+968 9.0 24.0 4.0

TRAMO AASHTO

10 años

6.5.4 La colocación del material de base se realizara por capas cuyo espesor no debe exceder de 0.25 m, ni ser

menor de 0.15 m.

6.5.5 El ancho de bermas no supera 0.50 m, por lo que, con el propósito de facilitar el procedimiento constructivo,

en las bermas se colocará carpeta asfáltica en caliente de igual espesor que en la calzada.

6.5.6 Para el periodo adicional de 10 años se recomienda reforzar el pavimento mediante la colocación de una

carpeta asfáltica con el espesor indicado en el diseño para cada tramo homogéneo, previa evaluación

funcional y estructural

6.5.7 La colocación de la carpeta asfáltica de 9 cm de espesor deberá realizarse en dos capas, sin embargo el

contratista podría efectuarlo en una sola capa, siempre y cuando suministre equipo apropiado y se

compruebe en un tramo de prueba que se llegue a obtener la compactación requerida.

6.5.8 En la preparación del concreto asiático en caliente se usará el cemento asfáltico PEN 120/ 150

6.5.9 Si la colocación de la segunda capa del concreto asfáltico se realice de manera inmediata, no será necesario

el riego de liga. En caso contrario se realizara el riego de liga previo a la colocación de la segunda capa.

6.5.10 Para la construcción del pavimento se deberá tener en cuenta la siguiente secuencia de actividades:

Colocación de la capa de base con el material de cantera de espesor correspondiente al diseño para cada

sector homogéneo. De acuerdo al espesor de la capa de base esta se colocará en una o dos capas, como

se indica en el Cuadro 6.5.3

Informe Final


Colocación del material de base en las bermas

Imprimación de la capa de base

Colocación de una carpeta asfáltica de 9.0 cm de espesor en todo el ancho de la plataforma, incluyendo las

bermas

6.5.11 Con la finalidad de evitar el deterioro de los bordes del pavimento de la carretera en las intersecciones con las

bocacalles de los centros poblados y tomando en cuenta el escaso tráfico interno, en las bocacalles se

colocará un pavimento asfaltico de espesores mínimos: una base granular de 0.15 m y una carpeta asfáltica

de 0.05 m de espesor.

Informe Final

DISEÑO DEL PAVIMENTO ejemplo andes

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