PAVIMENTOS

• Definición y Clasificación de pavimentos• Capas de pavimentos y sus Funciones• Diseño de pavimentos• Métodos de diseño de pavimentos• Parámetros empíricos de diseño: C.B.R.• Parámetros analíticos de diseño: Módulo Resiliente • Métodos y Pruebas de campo

Pavimento

• Estructura conformada por un conjunto de capas (multicapa) destinada a:– resistir y distribuir a la capa de fundación (subrasante)

los esfuerzos verticales producidos por el tráfico– mejorar las condiciones de rodamiento en cuanto a

comodidad y seguridad– resistir los esfuerzos horizontales haciendo más durable

la superficie de rodamiento

La Estructura Pavimento

• Estructura en faja: ancho y alto «finito »; largo «infinito»• Clima es factor preponderante• Vida útil pequeña (10 a 20 años)• Estudios geotécnicos: cateos de subrasante de pequeña profundidad

(hasta 1,5 m); muestras remoldeadas para caracterización de poder soporte; prospecciones de canteras en grandes áreas y de pequeña profundidad

• Cargas de tránsito: efecto destructivo variable; previsión de evolución aproximada vida útil aproximada; intemperización y degradación de capas superiores afectan integridad de pavimento

• Falla de pavimento: Fatiga causada por efecto de carga de tránsito (cargas cíclicas) e intemperismo

Clasificación de Pavimentos según solicitaciones de los vehículos

• Pavimentos Autoviarios– Carga de tránsito baja, variable (camiones, ómnibus, autos, etc.)– Intensidad de tránsito variable: Alto volumen de tránsito; Bajo

volumen de tránsito (pavimentos económicos)

• Pavimentos Aeroportuarios– Carga de tránsito pesada– Cargas dinámicas (impacto) en zona de aterrizaje– Intensidad de transito menor que pavimentos de alto volumen de

tránsito

• Pavimentos Ferroviarios– Carga de tránsito alta– Transmisión de carga a través de durmientes (carga lineal tranversal)– Estructura diferente a pavimentos autoviarios y aeroportuarios

Estructura del Pavimento

• Estructura multicapa Revestimiento

Base

Sub-base

Subrasante

• Revestimiento: Recibe directamente cargas; debe resistir esfuerzos horizontales; debe proporcionar superficie de rodamiento adecuada

• Base: Debe resistir y distribuir esfuerzos verticales

• Sub-base: Complementaria de Base (económica) o correctiva de Subrasante (transición)

Estructuras tipo de Pavimentos

• Clasificación de Pavimentos Autoviarios y Aeroportuarios según tipo de revestimiento– Flexibles: revestimiento bituminoso (mezcla asfáltica)– Rígidos: revestimiento de hormigón (losas)

Revestimiento bituminoso

Base

Sub-base

Subrasante

Pavimento Flexible Pavimento Rígido

Carpeta de hormigón

Sub-base

Subrasante

Diseño de PavimentosFactores que afectan al Diseño

• Características de suelos, materiales y mezclas– Pavimentos Flexibles: definen comportamiento y espesores de capas– Pavimentos Rígidos: definen comportamiento– Determinación de características: principios y criterios de Mecánica

de Suelos

• Clima– Lluvia: subrasantes; bases y sub-bases– Nivel Freático: subrasantes– Temperatura: revestimientos– Heladas: subrasante y base

• Tránsito– Magnitud de cargas– Presiones de inflado de neumáticos– Impronta– Frecuencia y número de repeticiones de las cargas– Velocidades de aplicación de cargas

Métodos de Diseño de Pavimentos

• Empíricos

– Basados en parámetros obtenidos de ensayos de laboratorio y campo

– Poder Soporte de California (CBR)

– Coeficiente de balasto

• Analíticos

– Basados en Teoría de Elasticidad (Boussinesq, Burmister)

– Módulo Elástico de Young

– Módulo Resiliente

Parámetros Empíricos de Diseño de PavimentosCBR

• Porter (Universidad de Berkeley, 1929): Ensayo de medida de la capacidad soporte, denominado Valor Soporte de California (California Bearing Ratio, CBR)

• Ensayo que mide– Resistencia a la penetración por punzonado de un vástago

(deformación) en una muestra de suelo colocada en un molde rígido

– Expansión

Valor Soporte de California (California Bearing Ratio)CBR

• Relación entre la tensión necesaria para penetrar un material 0,25 cm (0,1 in) y la tensión para tener la misma penetración en un material arbitrario, adoptado como patrón

100(%)"1,0

"1,0 patrón

muestraCBR

• Material Patrón: Piedra triturada obtenida en California del que se conoce las tensiones necesarias para producir penetraciones prestablecidas

Tensión – Penetración del Vástago para muestra patrón

Penetración Tensión en el vástago

cm pulgadas kg/cm2 lb/pulg2

0,25 0,1 70,3 1000

0,50 0,2 105,5 1500

0,75 0,3 133,6 1900

1,00 0,4 161,7 2300

1,25 0,5 182 2600

703,0100

3,70(%) "1,0"1,0 muestramuestraCBR

Ensayo de CBRASTM D1883-87

AASHTO T193-81

• 3 muestras compactadas en molde de 6 in (Ensayo Proctor) a humedad óptima de Ensayo Proctor Modificado y con:

– 12 golpes por capa

– 25 golpes por capa

– 56 golpes por capa (PUSM)

• Muestras se sumergen en agua 4 días con sobrecargas (saturación de muestras)

• Se mide expansión en 4 días

• Probetas saturadas se cargan por punzonado en prensa

– Vástago de 3 in2 (19,4 cm2)

– Velocidad de penetración 0,05 in/min (0,127 cm/min)

Ensayo de CBRASTM D1883-87

AASHTO T193-81

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 0,350 0,400 0,450 0,500

Penetración (in)

Tens

ión

(kg/

cm2)

12 Golpes 25 Golpes 56 Golpes

Ensayo de CBR

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

17,5 18,0 18,5 19,0 19,5 20,0 20,5

PUS (kN/m3)

CB

R (%

)PUSM

Crítica del Ensayo de CBR

• CBR es un número que carece de siginificado físico

• Porter (1950): « CBR no es una medida directa del valor soporte de los materiales »

• Turnbull (1950): « CBR no es más que un simple ensayo de corte, siendo útil como indicador de la resistencia al corte de los suelos »

• Simposio de la ASCE (1950): « CBR debe ser considerado como un ensayo indicativo de resistencia al corte... principios de diseño de pavimentos están basados en prevención de la falla al corte de las subrasantes de los pavimentos »

Crítica del Ensayo de CBR

• Método de compactación en ensayo Método de compactación de campo (estructuras distintas)

• Método de aplicación de carga de ensayo (estático) Aplicación de carga real al pavimento (tránsito) respuestas mecánicas diferentes

• CBR parámetro de diseño de pavimento « rápido » y « grosero »

Parámetros Analíticos de Diseño de Pavimentos

Boussinesq Módulo Elástico de Young (E)Burmister (1943, 1945)

• Relación - de suelos y materiales granulares: no lineal• En pavimentos carga de tránsito

– Niveles bajos de deformación de suelos y materiales– Módulos elásticos = f (nivel de deformación)– Menor nivel de deformación Mayor « rigidez » de material

• Módulo de Young no representa comportamiento real materiales de pavimento

Parámetros Analíticos de Diseño de Pavimentos

• Hveem (1955): Comportamiento « resiliente » (elástico) de pavimentos– Resiliencia X Elástico– Resiliencia = energía potencial de deformación– Fatiga de carpeta asfáltica debida a deformación resiliente de

capas subyacentes, sobretodo subrasante

Análísis del comportamiento resiliente

• Cargas de tránsito Ensayos de carga repetida (cíclicos)– Fuerza de compresión desde cero hasta máximo y vuelta a

cero– Aplicación de misma fuerza en intervalos pequeños de tiempo

(fracción de segundos)• Reproducción de condiciones reales

– Amplitud = carga de vehículo (rueda)– Tiempo de pulso = velocidad de vehículo– Frecuencia de aplicación = volumen de tránsito

Ensayos cíclicos o de cargas repetidas

• Ensayo Triaxial cíclico (Seed, 1955): suelos y materiales granulares• Ensayo de Compresión diametral cíclico (Schmidt, 1972): mezclas

asfálticas• Ensayo de flexión - tracción de viguetas a cargas repetidas (Ceratti,

1991): materiales con agregados de hasta 2 cm de diámetro

Ensayos Triaxial cíclico o de cargas repetidasAASHTO T274-82

• Desarrollado por Seed y colaboradores (Berkeley, California; 1955) al estudiar deformabilidad de subrasantes de pista experimental de AASHTO (Illinois)

• Similar a Triaxial convencional:– Tensión de cámara (3): agua o aire– Tensión desviadora (q): cíclico– Estado de tensiones principales– Resultados en tensiones totales

Módulo resiliente (MR) en el Ensayos Triaxial cíclicoSeed (1955, 1962)

• q: Tensión desviadora (• r: Deformación resiliente axial (vertical)

rR

qM

0r h

h

• h: Deformación vertical máxima• h0: Altura inicial de la muestra

prt p: Deformación permanente muy pequeña

Métodos y Pruebas de Campo

• Basados en parámetros empíricos– CBR in situ (ASTM D 4429)– Prueba de Carga de Placa– Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP)

• Basados en parámetros analíticos (deflexiones)– Viga Benkelman– Deflectógrafo de Lacroix– Dynaflet– Deflectómetro de Caída de Pesa (FWD)

Prueba de Carga de Placa (McLeod, 1948)

• Módulo de reacción de subrasante (k)

: tensión que transmite placa al suelo: deformación fijada previamente

k

Penetrómetro Dinámico de Cono (Dynamic Cone Penetrometer)DCP

• Espesor de capas, densidad, resistencia a la penetración

• Pesa de 8 kg

• Caída libre de 575 mm

• Indice de Penatración (IP)

: Penetración del cono

N: Número de golpes

NIP

Viga Benkelman (Benkelman, 1953)

• Deflexión por Recuperación elástica• Camión de 8,2 ton (80 kN) en eje trasero y 80 psi (550 kPa) de

inflado de ruedas• 3 lecturas

Deflectógrafo de Lacroix

• Deflexión máxima por carga transmitida por dos pares de ruedas• Medidas automáticas por palpadores colocados en trineos • Medidas casi continuas

Deflectómetro de Impacto (Falling Weight Deflectometer)FWD (Sorensen & Hayven, 1982)

• Deflexión por carga de impacto producida por pesos que caen sobre placa apoyada en pavimento

• Medidas automáticas por sensores de velocidad • Simula carga de tránsito a velocidad de 70 – 80 km/h