Obras Viales

7/18/2019 Obras Viales

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Profesor: Mauricio Soto Lemus

Constructor Civil

OBRAS VIALES



UNIDAD I

INGENIERÍA BÁSICA Y DISEÑO VIAL



DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS



DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS

-Diseño de la superestructura o “ pavimento” -pavimento: conjunto de capas superpuestas, relativamentehorizontales y de diferentes calidades

-diseño: determinación de calidades y espesores de las capascomponentes del pavimento, en función de la vida útildeseada.

calidad



-necesidades de mejorar la plataforma resultante delmovimiento de tierras para:

•recibir las cargas de tránsito y repartirlas a lasubrasante, sin deformaciones inadmisibles.

•superficie de rodadura segura, cómoda y estable antecargas repetidas.

• proteger la plataforma de agentes climáticos.



Características del Pavimento:

Estructurales:•durabilidad (vida útil)•soportar cargas repetidas•mantención

Funcionales:•regularidad funcional del pavimento (long. y transv.)•resistencia al deslizamiento (textura superficial)

macrotextura: en el momento de la obra (rugosidad)microtextura: dada por el material en símegatextura: la que percibe el conductor (evitar)

•ruido de rodadura•reflexión luminosa



Tipos de Pavimento: rígidos (hormigón)

flexibles (asfalto)

Pavimento Rígido.

BTCLosa de Hormigón

Sub-base Granular

Losa de Hormigón

Sub-base Granular

la rigidez de la losa absorbelas solicitaciones y las reparte



Pavimento Flexible.

bases y sub-bases: granulares (ríos, pozos)seleccionadas (curvas granulométr.)estabilizada (huecos rellenos)chancada (> capacidad estructural)

carpeta de rodado asfáltico

sub-base granular

base chancada



Pavimento Flexible.

carpeta de rodado asfáltico

base asfáltica

capa asfáltica intermedia

base chancada

sub-base granular



Diseño de Pavimentos de Asfalto.1.- Aspectos Generales.-el método de diseño de pavimentos flexibles nuevos queveremos está basado en el método AASHTO 1993-contiene algunas precisiones y complementaciones paraajustarlo a la realidad chilena

-el procedimiento descrito es el resultado de ensayos en pistas de prueba, construidas bajo condiciones ambientales ycon suelos de características muy definidas-la versión 1993 es una extensión del procedimiento original(1960)-las modificaciones introducidas en esta versión estánorientadas a expandir las posibilidades de aplicación delmétodo a diferentes climas, diseños, materiales y suelos



-la fórmula general de diseño relaciona la cantidad de ejesequivalentes solicitados, con el nº estructural y el nivel de

confianza-la estructura experimenta una pérdida de serviciabilidad

previamente determinada

EEQ = (NE + 25,4)9,36 x 10 – (16,4 + ZRx

So) x MR 2,32 x [(pi – pf)/(pi – 1,5]1/β

β = 0,40 + [97.81 / (NE + 25,4)] 5,19

EEQ: ejes equivalentes acum. durante la vida de diseño

NE: número estructural (mm)ZR: coef. estadístico que depende del nivel de confianzaSo: desv. estándar del error combinado de las variablesMR: módulo resiliente del suelo de la subrasante (MPa)

pi, pf: índices de serviciabilidad



-un pavimento flexible es un sistema multicapa, por lo tantodebe diseñarse como tal

-implica una secuencia de capas a partir de la subrasante;•subbase• base•la o las capas asfálticas

-lo primero es determinar el nº estructural-luego se procede a calcular los espesores de cada una de lascapas constituyentes-la valoración de los parámetros necesarios para establecer elnº estructural, se explican a continuación;



2.- Serviciabilidad.-el pavimento se diseña para que sirva por un determinado

lapso llamado vida de diseño-durante este último, la serviciabilidad se mantiene dentro deciertos límites-terminada la vida útil de diseño, deberá rehabilitarse

-estudios indican que pavimentos con buen pi logran vidasútiles más prolongadas que con ( pi) más deficientes-en la siguiente tabla se entregan valores recomendados:

Indice de Serviciabilidad Inicial (pi ) 4,2Indice de Serviciabilidad Final (pf ) 2,0



3.- Solicitaciones.-las solicitaciones que afectan la estructura se expresan como

los ejes equivalentes acumulados durante el periodo de vidade diseño definido-salvo que se indique de otra manera, los pavimentos sediseñarán para las vidas útiles que se indican a continuación:

Clasificación de Camino Vida de Diseño (años)

De alto tránsito en zonas urbanas 20 - 30

Caminos Nacionales 20

Regionales Principales 20

Regionales Secundarios 10 - 20



4.- Confiabilidad.-el grado de confiabilidad del diseño se controla por el factor

de confiabilidad (FR)

nivel de confianza de la desviación normal del errordistribución normal combinado

-la tabla siguiente indica los niveles de confiabilidad a utilizaren los diseños y los correspondientes valores de (ZR )

FR

ZR So



Nivel de confianza y valores de So

-la desviación normal del error combinado (So), incluye lasdispersiones inherentes a todos los factores que influyen en elcomportamiento del pavimento-especial participación tiene aquí los errores que pudierandarse en la predicción del tránsito solicitante

EE (millones)

solicitantes Confiabilidad (%) ZR So

< 5 60,0 0,253 0,45

5 - 15 60 - 70 0,253 - 0,524 0,45

15 - 30 60 - 75 0,253 - 0,674 0,45

30 - 50 70 - 80 0,524 - 0,841 0,44

50 - 70 70 - 85 0,524 - 1,037 0,42

70 - 90 70 - 90 0,524 - 1,282 0,40



5.- Módulos Resilientes.-el método de diseño AASHTO caracteriza las propiedades de

los suelos de la subrasante mediante el parámetro llamadoMódulo Resiliente Efectivo (MR )-representa el módulo elástico del material después de habersido sometido a cargas cíclicas

-se determina mediante el ensayo AASHTO T 294-92-para diseñar pavimentos en trazados nuevos o caminos queno se encuentran pavimentados, normalmente se definen enforma indirecta-se estiman a partir de ensayos que determinan el CBR:

MR (MPa) = 17,6 * (CBR) 0,64 CBR < 12 %

MR (MPa) = 22,1 * (CBR) 0,55 12 < CBR < 80 %



-como criterio general para un buen diseño, se recomiendaevitar dejar hasta 1.5 a 2.0 m por debajo de la rasante, suelos

de baja capacidad soportante (CBR < 3%)-lo anterior salvo que un estudio o tratamiento especialasegure que se comportarán en forma adecuada-la capacidad soportante se puede mejorar:

•realizando un estudio de mecánica de suelos que permitaestablecer procedimientos para densificar el suelo,normalmente junto con drenarlo•reemplazar un estrato del suelo de baja capacidad porotro mejor (evitar efecto “piscina”) •colocar una tela geotextil que aumente la capacidad desoporte del suelo (fácil aplicación y aumenta en 4% lacapacidad soportante)



6.- Coeficientes de Drenaje-el coeficiente de drenaje (mi) permite ajustar el coeficiente

estructural de las capas granulares no tratadas, en función delas condiciones del drenaje del proyecto que se analiza-según AASHTO, la calidad del drenaje es función del tiempoque demora una base o sub base saturada, en evacuar el 50%

del agua-la calidad del drenaje depende de factores tales como:• permeabilidad de la base o subrasante•la existencia o no de sistemas de drenaje• pendiente transversal

-la siguiente tabla indica la clasificación del drenaje enfunción del tiempo de evacuación del 50% del agua desaturación



Calidad del drenaje de bases y sub bases

-los coeficientes de drenaje a utilizar dependen tanto de lacalidad del drenaje como del tiempo durante el cual laestructura del pavimento se verá expuesta a niveles cercanos ala saturación-el tiempo de saturación depende de la calidad del drenaje ytambién de la distribución y frecuencia de las precipitacionesque caracterizan la zona donde se localizará el proyecto

Calidad del drenaje Tiempo de evacuación

excelente 2 horas

bueno 1 día

regular 1semana

malo 1 mes

muy malo no drena



-la siguiente tabla muestra coeficientes de drenaje que se proponen para el país

subras. gran. subras. finos subras. gran.subras. finos

< 100 1,40 - 1,35 1,35 - 1,25 1,35 - 1,25 1,25 - 1,15 1,05

> 100 1,40 - 1,35 1,35 - 1,25 1,35 - 1,25 1,15 - 1,00 1,05 - 0,80

< 150 1,40 - 1,35 1,35 - 1,25 1,35 - 1,25 1,15 - 1,00 1,00

> 150 1,40 - 1,35 1,35 - 1,25 1,25 - 1,15 1,00 1,00 - 0,80< 350 1,40 - 1,35 1,35 - 1,25 1,35 - 1,25 1,00 0,80

> 350 1,40 - 1,35 1,25 - 1,15 1,25 - 1,15 1,00 - 0,80 0,80

< 1500 1,40 - 1,35 1,25 - 1,15 1,15 1,00 - 0,80 0,80 - 0,60

> 1500 1,35 - 1,30 1,15 - 1,00 1,15 - 1,00 0,80 0,60

< 500 1,40 - 1,35 1,35 - 1,25 1,25 - 1,15 1,00 1,00 - 0,80

>500 1,40 - 1,35 1,25 - 1,15 1,15 0,80 0,80

base: finos hasta 10% base: más 10% finosregión

precip.

(mm)

base

permeable

XI a

XII

base permeable: menos de 3% de f inos y/o coef. permeabilidad > 0,01 cm/s

subras. gran. : subrasante granular, máximo 35% pasa tamiz de 0,08 mm

subras finos: subrasante de suelo fino

IV

V a VIVII a

IX

X



7.- Coeficientes Estructurales-el método AASHTO enfatiza la conveniencia de asignar el

coeficiente estructural adecuado a cada capa del pavimento-para ello se debe considerar las propiedades reales de losmateriales que las constituyen-el coeficiente estructural depende directamente del módulo

elástico del material que compone la capa-los ensayos para determinar el módulo elástico requierenequipos especiales procedimientos indirectos

-coeficientes estructurales de concretos asfálticos:

a1 = 0,0052 x E 0,555 E en MPa

a1 = 0,0078 x EM 0,441 EM:estabilidad Marshall

en N



-coeficientes estructurales de bases y subbases granulares notratadas:

a2 = 0,032 x (CBR) 0,32 en bases granulares

a3 = 0,058 x (CBR) 0,19 en subbases granulares

-coeficiente estructural de bases tratadas con cemento:

a2 = 0,0918 x (fc) 0,514 fc: resistencia cilíndricaa la ruptura (MPa)

-coeficiente estructural de bases tratadas con asfalto:

a2 = 0,0074 x (EM) 0,415 EM en (N)



Coeficientes estr. para las capas de pavimento

capa características coef. estructural

subbase granular CBR = 40% 0,12

base granular CBR = 80% 0,13

b.a. grad. gruesa 6000 - 9000 N 0,33

b.a. grad. abierta 0,28

grava - emulsión 0,3c. asfáltico, c. interm. 8000 - 12000 N 0,41

c. asfáltico de superf. 9000 - 14000 N 0,43



8.- Estructuración de Capas-a partir del nº estructural (NE) se deben determinar los

espesores de las diferentes capas que conforman la estructurade acuerdo a la siguiente expresión:

NE (mm) = a1 x h1 + a2 x h2 x m2 + a3 x h3 x m3

en que:ai : coeficientes estructurales de las diversas capashi : espesores (mm) de cada capami : coeficientes de drenaje de las capas no tratadas

-la ecuación no tiene una solución única pues existen muchascombinaciones que satisfacen el nº estructural



Limitaciones a los espesores de las capas

Capa Espesor (mm)capa asfáltica sobre base granular, mín. 60

cada capa asfáltica individual, mín. 50

capa superficial más la intermedia, máx. 150

capa granular no tratada, mín. 120

espesor total de capas granulares, máx. 500



Tratamientos Superficiales. (Morín – Todor)1.- Aspectos Generales.

-se analizará el método utilizado para establecer lasdimensiones de las capas estructurales de un tratamientosuperficial-el sistema se basa en las relaciones que existen entre el

comportamiento de una estructura y las deflexiones queexperimenta-además, considera la relación entre las deflexiones y lacapacidad resistente de las diferentes capas que conformanla estructura del pavimento-el aspecto más importante del método es que loscoeficientes estructurales de las capas no sólo dependen delas propiedades del material que las componen, sino tb. de la

posición relativa en que se encuentran dentro de la estructura



-por ejemplo, un material para base tiene su mayor aportecuando se extiende en los 250 mm superiores

-más abajo aporta a la estructura mucho menos-básicamente el procedimiento se ajusta a 3 etapas:

•establecer el índice estructural (IE), que es función delos EEQ que solicitarán el pavimento durante su vida útil

y del coeficiente de variación adecuado para reflejar lavariabilidad de la construcción•determinar el espesor mínimo que debe darse a la sumade espesores de las bases + subbases, en función delCBR representativo de la subrasante•determinar el espesor de c/u de las capas de la estructurade manera que la suma de los productos de éstos por loscorrespondientes coeficientes estructurales den el IErequerido (capas hasta los 900 mm)



2.- Cálculo del Índice Estructural.

a).- Ejes Equivalentes-para determinar el IE se deben conocer los EEQacumulados durante la vida útil asignado al proyecto-en general, se recomienda diseñar tratamientos superficiales

sólo cuando las solicitaciones acumuladas no superen los500.000 EEQ-para mayores solicitaciones, normalmente es más adecuadoconsiderar pavimentos en base a capas de mezclas asfálticas



b).- Coeficiente de variación (v)

-corresponde a la razón entre la desviación estándar y el promedio-se determina analizando las deflexiones reales que se

producen en los caminos

-son un reflejo de la calidad del diseño y uniformidad de laconstrucción-las deflexiones medidas en el país, sugieren que paracondiciones de construcción controladas, se podría utilizarun v cercano al 15%-sin embargo se recomienda utilizar para este parámetro un25% (v = 0.25)



c).- Índice Estructural (IE)

-se puede calcular con la siguiente expresión:

IE (mm) = 1024 x v 0,354 x 9,5611,49 – log (EEQ)

v : coeficiente de variación en tanto por unoEEQ : ejes equivalentes acumulados

- 1



3.- CBR de Diseño.

-el método de diseño caracteriza las propiedades de lossuelos de la subrasante mediante el ensayo CBR-normalmente la prospección de suelos se realizará mediantecalicatas u otro tipo de mediciones apropiadas

-como criterio general de diseño, se recomienda dejar hasta900 mm por debajo de la rasante, suelos de baja capacidadde soporte (CBR < 3%)-nunca se debe colocar materiales de base o subbasedirectamente sobre suelos de baja capacidad de soporte; serecomienda mantener entre los CBR de capas sucesivas unarelación que no supere 1 a 4, aproximadamente



4.- Diseño de la Estructura.

a).- Espesor Mínimo de Recubrimiento-la capacidad de soporte de la subrasante, expresada enfunción del valor del CBR, es el elemento clave en ladeterminación de los espesores que requieren las diferentes

capas de la estructura-para garantizar que cada capa pueda aceptar (sindeteriorarse) las solicitaciones previstas, debe garantizarseun espesor mínimo de capas no tratadas-este espesor mínimo que definido por:

e mín (mm) = 592 – 308 x log(CBR)



b).- Estructuración-el proceso consiste en determinar una estructura tal que

cumpla con las siguientes condiciones:• que el espesor de la base + la subbase sea > que elvalor resultante del espesor mínimo de recubrimiento dela subrasante

• que la suma de los productos de los espesores por loscorrespondientes coeficientes estructurales de c/u de lascapas que conforman el pavimento y hasta 900 mm pordebajo de la rasante, sea al menos igual al IE• para estos efectos, el espesor del tratamiento

bituminoso superficial se desprecia

IE < a1 x h1 + a2 x h2 + ……an x hn

h1 + h2 + ……hn = 900 mm



coeficientes estructurales

piedras trituradas, graduación abierta 1,0370piedras trituradas, bien graduadas 1,3940

tratadas con cemento

resist. cilíndrica a 7 días > 4,6 Mpa 2,4000

resist. cilíndrica a 7 días > 2,8 Mpa 2,1000

resist. cilíndrica a 7 días < 2,8 Mpa 1,6000

tratadas con cal 1,400 - 1,600gravas no tratadas

CBR > 100 % 1,3940

CBR = 90 % 1,2320

CBR = 85 % 1,1670

CBR = 80 % 1,1020

CBR = 75 % 1,0370

CBR = 70 % 0,9400

CBR = 60 % 0,5520

CBR = 50 % (mín) 0,3830

BASES (0 a 250 mm)



coeficientes estructurales

CBR > 40 % 0,5760

CBR = 35 % 0,2900

CBR = 30 % 0,2050

CBR = 25 % (mín) 0,0750

SUBBASES (250 a 500 mm)

CBR > 20 % 0,4810

CBR = 15 % 0,3570

CBR = 10 % 0,2120

CBR = 9 % 0,1830

CBR = 8 % 0,1330

CBR = 7 % 0,0840

CBR = 6 % 0,0530

CBR = 5 % 0,0330

CBR = 4 % 0,0200

CBR = 3 % 0,0150

CBR = 2 % (mín) 0,0100

SUBRASANTE (500 a 900 mm)



-respecto de las tablas anteriores, es muy importante tener encuenta los siguientes aspectos:

• los coeficientes estructurales asignados para las basessólo son válidos cuando los materiales se encuentranhasta 250 mm de profundidad bajo la rasante• los de las subbases son sólo válidos cuando los

materiales se encuentran entre 250 y 500 mm de prof.• los de la subrasante son válidos para estratoscomprendidos entre 500 y 900 mm de prof. bajo rasante• los materiales con CBR = 40 %, pueden tambiénutilizarse entre 100 y 250 mm de profundidad, siempreque se les asigne el coef. correspondiente a bases(CBR = 40% → CBR = 50% → a = 0,383)



FIN

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