Diseño Pavimento Augusto Pinedo (2)

DISEO DE PAVIMENTO

NDICE

INTRODUCCIN.. 2

OBJETIVO. 2

GENERALIDADES.. 3

GEOLOGA... 5

TRNSITO. 6

MEDIO AMBIENTE. 13

GEOTECNIA 15

SUBRASANTE. 15

INTRODUCCIN

El desarrollo de un pas o de una ciudad se ve reflejado en su estructura vial, puesto a que las buenas vas permitirn que habitantes realicen sus actividades de mejor manera y en menor tiempo. Pero para que esto sea as, es necesario hacer buenas vas, y sin un buen diseo es imposible que esto suceda. Es por eso que el disear de la mejor manera posible la va es obligatorio.

Dentro del diseo de una va se encuentra el diseo de su pavimento, el cual afectar directamente en el andar de los vehculos por esta. Por ende el pavimento debe disearse de las mejores calidades posibles para que los vehculos transiten de manera correcta por la carretera.

En este trabajo se realiza el diseo de la va Variante Ceret, tanto en pavimento rgido, como en pavimento flexible. Para esto se deben calcular los diferentes elementos que afectan al pavimento, la geologa, la geotecnia, la variable trnsito, la variable medio ambiente y la variable subrasante.

OBJETIVO

Disear el pavimento para la va Variante de Ceret, Crdoba. Utilizando la informacin de los estudios realizados se establecern las Variables que sean necesarias para dicho diseo.

1. GENERALIDADES

El diseo del pavimento ser para la Variante Ceret con las siguientes especificaciones de diseo:

Velocidad de Diseo: 80 k/h.

Radio Mnimo: 235 metros.

Peralte Mximo: 8%

Friccin lateral mxima: 0.141

%Inclinacin Mxima Peraltes: 0.50%

Va Principal de una Calzada.

Tipo de Terreno: Plano

Acho de cada calzada: 7.30 metros.

Carriles por calzada: dos (2).

Acho de cada carril: 3.65 metros.

Ancho de berma interna: 0.30 metros.

Ancho de berma externa: 1.80 metros.

Ceret es un municipio de Crdoba ubicado a 18 Km de Montera, con una poblacin de 84.000 habitantes.

Imagen 1. Ubicacin Ceret. Fuente: INGUETO CIA & LTDA.

El proyecto consiste en una variante paralela a la va existente entre Ceret y Montera. Pasando de tener una va bidireccional de dos carriles (va existente), a tener dos vas de dos carriles, una con sentido oriente-occidente o Ceret-Montera (va existente) y otra de sentido occidente-oriente o Montera-Ceret (Variante Ceret).

Imagen 2. Cambio debido al Proyecto de la Variante Ceret. Fuente: Autor, 2015.

En la actualidad el tramo que se habilitar de la carrera 15A cuenta con 839 metros de longitud, de los cuales 374 tienen pavimento rgido y 465 afirmado. El tramo que se encuentra en afirmado se construir en pavimento rgido dndole continuidad hasta empalmar con la variante y se le suavizara la pendiente en el acceso a la calzada existente (Cerete Montera).

2. GEOLOGA

Segn el mapa geolgico de sgc sobre Crdoba la unidad geologa de esta zona est conformada por depsitos aluviales definidos en nomenclatura en este mapa de la siguiente forma:

Imagen 3. Descripcin Geolgica Ceret.

Los aluviones o depsitos aluviales son un grupo de material sedimentario que se ha juntado y depositado por corrientes de agua, vas a encontrar este tipo de depsitos asociados con ros, lagos o mares y, dependiendo del tiempo que ha sido transportado, estos sedimentos van a tomar formas redondeadas y su forma de depsito tendera a ser horizontal.Dependiendo de la diferencia de tamao de los sedimentos, va a cambiar la porosidad de los depsitos o de la roca que forme, lo cual va a influir en la cantidad de agua que puede almacenar o fluir a travs de ella, formando acuferos.

3. TRNSITO

Dentro del comportamiento de un pavimento incide inmensamente el trnsito que circula por este, por esto es de mucha importancia considerar el trnsito como una de las variables en el diseo de pavimentos. Es necesario conocer todo el trnsito que circular durante la vida til del pavimento, para esto se proyecta a futuro su comportamiento y composicin tanto a 10 aos como a 20 aos. Existen diferentes tipos de vehculos en el mercado, pero los que generan un dao considerable para el pavimento son solo los buses y los camiones, entonces solo estos sern tenidos en cuenta dentro del diseo. Para facilitar el estudio del impacto de los vehculos sobre el pavimento se realiza una equivalencia entre todo el dao que le generan los vehculos comerciales a la va con un eje patrn, este eje en el mtodo de la AASHTO es el de 8.2 Toneladas.

3.1. NOMENCLATURA

Imagen 4. Estaciones de Conteo Vehicular (2011). Fuente: INVIAS.

En la figura de observan las estaciones para conteo vehicular ubicadas para contabilizar entradas y salidas de todos los tipos de vehculos.

La estacin 490 fue la elegida para la serie histrica de TPDS.

Imagen 5. Nomenclatura Estacin. Fuente: INVIAS.

3.2. PROYECCIN DEL TRNSITO

Lo primero que se necesita es un registro histrico sobre los TPDS de la estacin, en este caso se cuenta con datos desde 1997 hasta el 2011. Dentro del registro se encontraban datos que no representaban la tendencia que llevaba el registro, estos datos eran casos particulares que no fueron tomados en cuenta. Estos datos fueron promediados para mantener una tendencia ms acorde.

Tabla 1. Serie Histrica 1997 a 2011. Fuente: Autor, 2015.

Luego se procede a graficar el comportamiento del trnsito en el desarrollo histrico. Y para poder hacer una proyeccin a futuro de dicho comportamiento se escoge una tendencia, en este caso se escogi la tendencia lineal, puesto que tuvo un coeficiente de correlacin de 0,7751 el cual demuestra que esta tendencia se ajusta de buena manera a la serie histrica.

Grfica 1. TDPS vs Ao. Comportamiento Histrico. Fuente: Autor, 2015.

La tendencia lineal seleccionada se representa de la siguiente manera:

y = 96,711x + 7831,3

Donde la y representa el TPDS y la X el ao en cuestin (Considerando el 1997 como el ao 0, 1998 el 1, y as sucesivamente).

Para proyectar el TPDS a 10 aos y a 20 aos, inicialmente se deber proyectar al ao en el cual el pavimento comenzar a ser utilizado. Para esto se reemplaza por 19 la x en la ecuacin lineal.

y = 96,711(19) + 7831,3

y = 9669

Para calcular el nmero de ejes equivalentes de diseo, se necesita saber el total de ejes equivalentes que pasar durante los 10 aos (2016 hasta 2026) y los 20 aos (2016 hasta 2036). Por esto los TPDS a utilizar deben ser los acumulados desde el 2016 hasta 2026 y 2036.

Los TPDS acumulados son los mostrados a continuacin.

Tabla 2. TPDS del 2016 y acumulados a 10 y 20 aos. Fuente: Autor, 2015.

3.3. NMERO DE EJES EQUIVALENTES

Para poder calcular el nmero de ejes equivalentes se necesita conocer el TPDS acumulado hasta el ao requerido, la distribucin de los tipos de vehculos, el factor camin, el factor direccional y el factor carril.

Imagen 6. Frmula Nmero de Ejes Equivalentes. Fuente: Autor, 2015.

La distribucin de los tipos de vehculo se conoce del registro histrico de la estacin seleccionada, y se supone que la ltima distribucin (la del ao 2011) se mantendr en el futuro. Esta distribucin ser de Buses (11%) y Camiones (15%), y dentro de los camiones se distribuir entre los tipos de camiones que circulen en dicha va.

Para lo anterior es necesario conocer los tipos de camiones que se encuentran en Colombia, y esto est estipulado en la Resolucin 004100 del 2004, en la cual designan a cada camin con una nomenclatura dependiendo al nmero de ejes y a la forma en que se distribuyen estos ejes.

Imagen 7. Resolucin 004100 del 2004.

Imagen 8. Designacin vehculos de Transporte de Carga. Fuente: Resolucin 004100 del 2004.

De la resolucin adems se extraer la distribucin de carga por eje para cada tipo de vehculo. Esto es necesario para el clculo del Factor Camin, el cual dependede la distribucin de vehiculos y del Factor Dao de cada tipo de vahiculo comercial.

Para calcular el factor dao (FDVC), se realizar la sumatoria de los Factores Equivalentes de Carga por Eje (FEC) de cada tipo de vehiculo.

El FEC se calcula con el mtodo AASHTO simplificado o mtodo de la cuarta potencia, el cual determina para cada tipo de eje un factor de equivalencia. Se toma la carga de cada eje y se divide por la carga del eje patrn (6.6 para Simple de Rueda Simple, 8.2 para Simple de Rueda Doble, 15 para Tandem y 23 para Tridem) y el resultado se eleva a la cuarta potencia. Este proceso se hace para cada eje del vehculo y luego se hace la sumatoria de todos los ejes, teniendo como resultado el Factor Dao de dicho vehculo (FDVC).

Imagen 9. Factores Dao para cada tipo de Vehculo. Fuente: Autor, 2015.

Ahora se determinan el Factor Direccional (Fd) y el Factor Carril (Fc).

Puesto a que los TPDS del registro histrico estn dados para una va direccional, se utiliza un factor direccional de 0.5, suponiendo una distribucin de 50/50 en los carriles.

Y como de un carril de cada direccin se pasar a dos carriles se hace una distribucin de 90/10 y se utiliza un factor carril de 0.9 utilizando el carril ms cargado.

Imagen 10. Factor Direccional y Factor Carril. Fuente: Autor, 2015.

Ahora se calculan los Ejes Equivalentes tanto a 10 como a 20 aos, utilizando la frmula de la Imagen #. Utilizando los TPDS acumulados, la distribucin de buses y camiones, el FC, el Fd y el Fc.

En la siguiente tabla se ve el Nmero de Ejes Equivalentes a utilizar para diseo.

Tabla 3. Nmero de Ejes Equivalentes a 10 y a 20 aos. Fuente: Autor, 2015.

4. MEDIO AMBIENTE

Imagen 11. Condiciones Ambientales de Ceret. Fuente: Est. De Diseo de Pavimentos. Ing. L. Acua.

HIDROGRAFA DE CERET

Se encuentra distribuida en microregiones de la siguiente forma:

Micro Regin 1: integrada por la cabecera municipal y los corregimientos de Martnez, Manguelito, Mateo Gmez, Retiro de los Indios y Rabolargo, est baada por el Cao Bugre y sus brazos y el Brazo de Lara en su gran mayora, la Cinaga de Wilches y una parte de la Cinaga la Granchina.

La Micro Regin 2: pertenece a una zona homognea bien definida, comprende el corregimiento de Sever, en total es alimentada por el brazo de Lara (cauce principal del Ro Sin) la Cinaga de Corralito, los caos del Vidrial y Cao Viejo y los arroyos Trementino y El Coco.

La Micro Regin 3: integrada por los corregimientos de Cuero Curtido y Tres Maras. Es la parte de mayor pendiente del Municipio y est atravesada por los arroyos El Coco y Trementino.

Las microcuencas de las quebradas El Coco, Trementino y Cao Viejo, caracterizadas as: La microcuenca de El Coco abarca todo el corregimiento de Tres Maras, recibe aportes de numerosos arroyos pequeos, el suelo, en su mayora, est dedicado a ganadera extensiva, todo su bosque protector se ha talado, se nota una marcada erosin en sus orillas. El curso del agua en verano se corta quedando solo unas pozas o charcos, la zona de rabiones se seca completamente. Los ros, riachuelos, arroyos, canales y quebradas son ecosistemas acuticos de aguas corrientes o lticas, asociados comnmente a lugares de erosin, de transporte y de sedimentacin de materiales.

El agua que transportan los ros est ntimamente ligada al ciclo hidrolgico. Del agua que cae en el territorio municipal como lluvia, solo una porcin llega hasta los cauces de los ros. Mucha se evapora directamente de la superficie terrestre y de la vegetacin; otra es tomada por las plantas a travs de las races; y otra parte entra como agua subterrnea.

Con corrientes permanentes est el Ro Sin y con corrientes intermitentes, arroyos como El Coco, Trementino, cao Viejo, cao Bugre, cao Cotorra, cao Rabolargo y una serie de pequeos riachuelos que bajan de la parte alta de la margen izquierda del Municipio. Son intermitentes ya que mantienen sus cauces nicamente en el periodo lluvioso, muchos de ellos como cao Viejo, Trementino, cao del Chorrillo, se trozan y se convierten en grandes charcos con comportamiento de ecosistemas lnticos.

5. GEOTECNIA Y SUBRASANTE

5.1. EVALUACIN DE SUELOS PARA EL DISEO DE PAVIMENTOS

Determinacin de los perfiles de suelo.

Ensayo de laboratorio a las muestras obtenidas para determinar sus propiedades fsicas en relacin con la estabilidad y capacidad de soporte de la subrasante:

- Humedades

- Limite liquido

- Limite plstico

- Resistencia de los suelos(CBR)

Determinacin del suelo tpico de la subrasante para unidad de diseo

Medida y seleccin del valor de resistencia de un suelo tpico de subrasante.

El proyecto resume, la serie de estudios realizados para la habilitacin de un suelo que va a ser usado como subrasante de la estructura de pavimento flexible a construir en la futura va conocida como Variante Ceret con una longitud 4.721 metros, la cual bordea al Municipio de Ceret en su regin sur. La cota promedio del proyecto est cerca de los 12 m.s.n.m. Su ubicacin geogrfica aproximada es Latitud Norte 852'13" y Longitud Oeste 7547'29" en la zona Media Sin de la cuenta hidrogrfica del Rio Sin, colocndolo cerca de 15 kilmetros en direccin sur occidental con Montera, capital del Departamento de Crdoba y en direccin norte, a mas de 200 kilmetros con el Distrito de Cartagena de Indias.

Para llevar a cabo el presente estudio fueron ejecutadas treinta y tres (33) exploraciones al subsuelo: nueve (9) son sondeos de 4,00 metros de profundidad practicando el mtodo de percusin y lavado con ensayos de la penetracin standard (SPT) de donde se obtuvieron los diferentes valores de N para hallar la resistencia del terreno en sitio y las veinticuatro (24) exploraciones restantes apiques con equipo manual de perforacin a profundidad de 1,50 metros.

Nivel Fretico: Se evidenci la presencia de agua fretica entre 0.50 1.0 metro en algunos de los sondeos realizados mientras que en otros solamente se presentaron filtraciones en las paredes de las excavaciones.

Durante la exploracin de campo se practic la extraccin de muestras representativas entre 0,50 metros y 1,00 metros de profundidad con moldes de 6 para efectuar ensayos inalterados de C.B.R. y generar un valor promedio que puede asimilarse a un valor de diseo. Adems se tomaron muestras en cada estrato para observar los diferentes tipos de suelos que conforman el subsuelo para su respectiva clasificacin que sern utilizadas para caracterizar los posibles horizontes del perfil geotcnico encontrado y determinar las propiedades de los tipos de suelos presentes en la zona de estudio.

Se tienen los siguientes datos de elementos que influyen en la determinacin del CBR, tales como el Nivel Fretico y los Lmites de Atterberg.

Imagen 12. Datos Generales Sondeos. Fuente: INGUETO CIA & LTDA.

Imagen 13. Datos Generales Sondeos. Fuente: INGUETO CIA & LTDA.

Imagen 14. Grfica Nivel Fretico. Fuente: INGUETO CIA & LTDA.

Imagen 15. Grfica Limites de Atterberg. Fuente: INGUETO CIA & LTDA.

Puesto a que existe una continua presencia del nivel fretico en la zona en cuestin se utilizar el CBR sumergido, puesto a que sera la condicin ms desfavorable posible.

Imagen 16. Grfica CBR Inalterado vs Sumergido. Fuente: INGUETO CIA & LTDA

Utilizando los datos de los 24 apiques que se tienen, se realiz un perfil estratigrfico para determinar las unidades de diseo a utilizar.

Imagen 17. Perfil Estratigrfico. Fuente: Autor, 2015

Del perfil estratigrfico se puede concluir que hay 3 Unidades de Diseo. Una compuesta por Arcilla Limosa Parda Oscura-Arcilla Limosa Parda Amarillenta con Vetas Grises. Otra por Arcilla Limosa Parda Oscura-Arcilla Limosa Parda Clara y la tercera compuesta por Arcilla Limosa Parda Oscura-Arcilla Limosa Amarilla con Vetas Grises

.

Imagen 18. Unidades de Diseo. Fuente: Autor, 2015

CBR Sumergido

CBR 20 (Profundidad: 0,30 mts 0,50 mts)

Imagen 19. CBR 20. Fuente: INGUETO CIA & LTDA.

















5.1. MEDIDA Y SELECCIN DEL VALOR DE RESISTENCIA DE UN SUELO TPICO DE SUBRASANTE

5.1.1.Determinar el trnsito de diseo.

5.1.2.Ordenar de menor a mayor todos los valores de los ensayos de CBR.

5.1.3.Determinar en cada cambio de valor de CBR, el no. Total de valores que son mayores o iguales a este valor y expresarlo en % con relacin al total.

5.1.4.Elaborar un grfico CBR Vs % valores mayores o iguales.

5.1.5.Obtener de la anterior curva el CBR de diseo teniendo en cuenta el % que determine el trnsito de diseo.

Ahora bien, si se sabe que para 10 aos como periodo de diseo se ha obtenido un No. de ejes de 8 TONS en el carril de diseo igual a N= 13689.903 y para un periodo de diseo de 20 aos N= 28690.143.

Tabla 4. CBR de Diseo Unidad Tpica. Fuente: Autor, 2015

Se tiene un trnsito de diseo igual al 87,50% para un periodo de 10 aos y para un periodo de 20 aos, lo cual determinar el valor de CBR de diseo que se deba considerar.

Al graficar se obtiene:

Grfica 2.CBR de Diseo. Fuente: Autor, 2015.

El CBR de Diseo ser de 0,52 % para un periodo de diseo de 10 aos y de 20 aos a partir del ao base 2016.

Las recomendaciones dadas por el estudio geotcnico presentado para el proyecto son:

- Descapotar 30 cm para retirar el material orgnico presente el terreno y luego de esto colocar un geotextil Pavco o Fortex referencia TX-2400 o BX-40.

- Para el caso cuando se presenten CBR SUMERGIDOS muy cercanos a los CBR INALTERADOS el estudio geotcnico recomend hacer una sobre profundidad y rellenar esta misma con un suelo tipo zahorra (recebo 2400).

ESTABILIZACIN DE LA SUBRASANTE CON CAL VIVA

Se decide hacer la estabilizacin con cal viva, los parmetros para decidir los porcentajes de cal viva a agregar son:

-ndice de plasticidad > 10%.

-Porcentaje de materia orgnica < 3%.

-Porcentaje que pasa en tamiz 200 >25%.

Cuando se aaden las cantidades adecuadas de cal y agua, el pH del suelo aumenta rpidamente sobre 10.5, lo que permite romper las partculas de arcilla. La determinacin de la cantidad de cal necesaria es parte del proceso de diseo y se estima por pruebas como la de Eades y Grim (ASTM D6276). Se liberan la slice y la almina y reaccionan con el calcio de la cal para formar hidratos de calcio-silicatos (CSH) e hidratos de calcio-aluminatos (CAH). CSH y CAH que son productos cementantes similares a aquellos formados en el cemento de Portland. Ellos forman la matriz que contribuye a la resistencia de las capas de suelo estabilizadas con cal. Como no se tienen al alcance estos ensayos se propone el siguiente mtodo emprico para la obtencin de la cantidad de cal. (Association, 2004)

METODOLOGA DE CLCULO

Partiendo de la figura en donde se muestran los perfiles estratigrficos de las perforaciones e observa que el suelo que predomina en todo el trazado de la va es una arcilla limosa, esta ser la que nos servir como referencia para al final llegar a una proporcin de cal viva en el suelo a estabilizar.

Los pasos son los siguientes:

- Obtencin de la masa de suelo en todo el trazado de la va, asumiendo 20 cm de excavacin y 10 m de ancho de banca.

- Sacar las cantidades de cal viva por m3 para cada 500 mt lineales de subrasante.

- Densidad aproximada arcilla limosa= 15.20 KN/m3=1.52 ton/m3

1.52 ton/m3=masa suelo saturado/vol

1.52 ton/m3=masa suelo saturado/10m*0.20m*500m

Masa suelo saturado=1520 ton.

En el primer tramo de 500 metros la humedad promedio es de 31% por lo tanto haciendo una regla de 3 podemos saber el valor de la masa seca:

100% - 1520 ton x= (31%*1520)/(100%) x=471.2 ton

31 % - x

Por la tanto la masa de suelo ser igual a 1530 ton 471.2 ton = 1058.8 ton

Se utiliza un 7% de cal viva con respecto al 100% de la masa de suelo seca, es decir el 7% de 1058.8 ton que es igual a 74.06 ton. (Association, 2004)

METODOLOGA DE APLICACIN

Los siguiente son los pasos constructivos para la estabilizacin con cal (se recomienda controles muy rigurosos en cada una de las etapas).

- Escarificar o pulverizar parcialmente el suelo,

- Esparcir la cal,

- Adicin de agua y mezcla,

- Compactar a la densidad mxima prctica, y

- Curado antes de la colocacin de la siguiente capa o capa de proteccin.

Recomendaciones:

- El retiro completo de materiales de turba, races, csped y piedras.

- Se pueden usar cal con granos hasta los de dimetro.

- Recomendable tratar de tener el suelo lo ms seco posible.

- Se recomienda la demarcacin de zonas especficas y en cada una de estas ir colocando segn clculos hechos las proporciones de cal viva con respecto a la masa de suelos seco.

ESTABILIZACIN DE LA SUBRASANTE CON ROCA

El material debe estar compuesto por rocas enteras y partidas no meteorizadas, de consistencia dura y en lo posible que sean bloques conformados por areniscas. El espero a usarse ser de unos 30 cm y en el ancho de la va cuanto sea necesario para cubrir toda la banca de la carretera. Los vacos que queden entre bloques debern ser llenados con material granular compuesto principalmente por grava y arena (recebo). Es importante tener en cuenta el no tener altos contenido de materia orgnica, calidad del material y mtodos de compactacin. (IDU, 1999).

1

Ma

CIUDAD

Tempera. F

TMMA: TEMPERATURA MEDIA DEL AIRE

C

98,6

PRECIPITACION MEDIA ANUAL mm/Ao

NUBOSIDAD %

VELOCIDAD DEL VIENTO Km/h

H (cm) : ESPESOR PROBABLE DE LA

CARPETA

MP F115,42

z= H/3 en pulgadas

MP C46,35

EVALUACION DE LAS CONDICIONES CLIMATICAS Y REGIONALES

10

15

CALCULO TEMPERATURA DE LA MEZCLA (TMIX)

2,0

MONTERIA

37,00

1249

35

6

4z

34

4z

1

1MaMp

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