Pavimentos Para Carreteras

Primera edicin, 1997 Segunda edicin, 1998 Reimpresin segunda edicin, 2001 Segunda reimpresin de la segunda edicin, 2002

Universidad Catlica de Colombia Ediciones y Publicaciones 2002 Alfonso Montejo Fonseca Bogot, D.e.

Coordinacin editorial: Stella Valbuena de Fierro

ISBN: 958-96036-2-9

Todos los derechos reservados. Prohibida su reproduccin total o parcial por cualquier medio sin permiso del editor.

Diagramacin y artes: Grficas mbar Telfono: 5486089

Diseo de cartula: Juanita Isaza Merchn

Impreso: Agora Editores Telfono: 3104397

Impreso en Colombia Printed in Colombia

PRESENTACiN

Esta segunda edicin de INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETE-RAS expresa la voluntad, la disciplina y el rigor con que su autor ha asumido el estudio de su especialidad. Al hacer la presentacin de este libro, quiero en primer lugar exaltar estas virtudes, porque las obras humanas son el producto de las condiciones personales.

Las problemticas de nuestro diario vivir, tienen desde luego, diferentes causas y por lo tanto, diferentes fuentes de solucin. Una de ellas es el conocimiento como principio para la accin. Por eso, para la Universidad Catlica de Colombia es realmente muy satisfactorio hacer entrega de esta obra, que es sin duda alguna un gran aporte para la comunidad acadmica especializada en el tema y para la sociedad misma, que en ltimas debe ser la beneficiaria directa de la aplicacin seria y juiciosa de los conocimientos que en materia de pavimentos, se consignan en esta nueva edicin.

Felicitaciones para el Ingeniero Alfonso Montejo y nuestra voz de aliento en su tarea de estudioso de la materia y en su empeo -muy loable por cierto-de querer transmitir y compartir todo su conocimiento a travs de obras como sta.

EOGAR GMEZ BETANCOURT Presidente

PREFACIO

Sio han transcurrido dos aos desde la publicacin de la primera edicin de este libro sobre ingeniera de pavimentos para carreteras. Su rpida y favorable acogida por parte de los profesionales de la ingeniera vial, investi-gadores, docentes y estudiantes universitarios, ha sido el mejor reconocimien-to que ha recibido el autor quien, en buena hora, emprendi la tarea de elaborar una obra actualizada sobre la mecnica de las calzadas, ciencia en la cual el desarrollo tecnolgico y el conocimiento han evolucionado de manera espectacular durante las dos ltimas dcadas del presente siglo.

La brillante trayectoria del ingeniero Alfonso Montejo Fonseca como funcio-nario de las entidades estatales rectoras en la ingeniera de carreteras, su amplia experiencia como docente en el rea de pavimentos en reconocidas instituciones de educacin superior y su incuestionable pericia como confe-rencista en un sinnmero de foros nacionales de la viabilidad, son los factores que le han permitido preparar un libro que, adems de alta riqueza conceptual y profundo contenido tcnico, posee la sencillez y claridad necesarias para que su consulta sea amena y brinde fcil y rpida respuesta a las inquietudes del lector. Aqu radica, sin duda, el notable xito de la obra.

Quien escribe estas lneas conoce los sacrificios y desvelos que trae consigo la preparacin de un libro tcnico en el pas y ha sufrido los efectos de la desproteccin en que se encuentran los autores ante la publicacin de ediciones no autorizadas. Por ello, aplaude sin reservas la abnegacin con la cual el ingeniero Montejo se empea en seguir sirviendo con desinters a la comunidad vial colombiana al entregarle esta segunda edicin de su libro, en la cual incluye temas de gran actualidad no abordados en la edicin anterior, como los referentes a las ltimas tecnolo~as de los asfaltos, la estabilizacin

VIII _ ING. ALFONSO MaNTElO FONSECA

de suelos, el reciclado de pavimentos asflticos y el control estadstico de la calidad de las obras. La culminacin de una obra tan calificada como sta n~ es, sin ,en:bargo, e: resultado de un esfuerzo meramente individual. Detras esta~a siempre e apoyo y el amor de los seres queridos. Por eso, como ~ompanero, coleg~ y amigo, felicito al ingeniero Montejo en nombre ?e qUle~es hemos logr~, o mejorar y actualizar nuestros conocimientos graCias a s~. libro, ~ero tambl~n debo hacer un reconocimiento a su seora y a sus hiJOS, qUienes muc o debieron sacrificar para que su esposo y padre pudiera entregarnos un documento de tanta utilidad.

FERNANDO SNCHEZ SABOGAL Ingeniero Civil

(

INTRODUCCiN

Este libro constituye un texto bsico, dentro de la ingeniera civil, en los cursos de diseo de pavimentos. Tambin puede ser de utilidad como obra de consulta para profesionales y tcnicos dedicados a esta especialidad.

. ,

En la actualidad la tecnologa de los pavimentos se ha desarrollado a tal grado de constituir un campo de nuevas especializaciones, por ello, y dado que en nuestro medio la informacin especializada en el campo de los pavimentos para carreteras se encuentra muy dispersa, el autor ha considerado necesario condensar parte de ella en el presente texto, a fin de contribuir a la difusin de los conocimientos que se han adquirido en nuestro medio sobre el tema.

Esta obra est organizada en los siguientes captulos:

El Captulo 1 contiene los elementos bsicos de la ingeniera de pavimentos que necesitar el lector que desee comprender corretamente las aplicaciones.

El Captulo 2 presenta la metodologa para la evaluacin del trnsito vehicular existente y esperado para el perodo previsto de diseo.

El Captulo 3 establece un sistema de estudio de los suelos, que se presentan a lo largo del proyecto el cual se orienta a definir las propiedades geotcnicas de stos y la resistencia de la unidad tpica para diseo.

En el Captulo 4 se presentan los mtodos de estabilizacin de suelos con los aditivos y procedimientos ms utilizados en el mundo y en especial en nuestro medio.

Los Captulos S, 6 Y 7 contienen los ltimos mtodos de diseo de pavimentos (flexibles, rgidos y articulados) propuestos por diversas entidas forneas de investigacin.

x - ING. ALFONSO MONTElO FONSECA

En el Captulo 8 se estudian las caractersticas geotcnicas de los materiales que se utilizan en la construccin y mantenimiento de los diversos tipos de pavimento y de forma suscinta se presentan las pruebas de control de campo y laboratorio, necesarias para lograr un correcto aseguramiento de calidad de la obra.

En el Captulo 9 se estudia la compactacin de suelos y mezclas bituminosas, enfocndose sta al logro de la permanencia de un comportamiento mecni-co adecuado de las capas de un pavimento, a travs de toda su vida til.

En el Captulo lOse establece una metodologa para la evaluacin de los pavimentos en servicio y se presentan mtodos de diseo de las obras de mejoramiento. El Captulo 11 esta dedicado al estudio del reciclado de pavimentos flexibles, tema que en nuestro medio tiene una buena acogida, pero que an presenta algunas dificultades en el diseo y construccin.

En el Captulo 12 se estudian las caractersticas de los asfaltos modificados y sus principales componentes. Este captulo ofrece especial inters en mostrar al lector las ventajas que presentan los asfaltos modificados en las diversas aplicaciones de obra.

El Captulo 13 trata sobre una nueva tcnica de aplicacin del asfalto mediante un procedimiento de espumado. Esta forma de utilizacin del asfalto apenas se inicia y su aplicacin en obra an es incipiente y no muy desarrollada.

En el Captulo 14 se estudian las mezclas asflticas drenantes, tcnica que brinda importantes mejoras en la seguridad de los usuarios al proporcionar texturas de pavimentos lo suficientemente rugosas, para un adecuado con-tacto entre la llanta y la superficie de la capa de rodadura. Este tipo de mezcla suministra un adecuado drenaje superficial a la estructura del pavimento en pocas de lluvia.

En el Captulo 15 se presenta un resumen de los resultados de los estudios adelantados por los Estados Unidos en su programa SHRP, sobre los ligantes \ bituminosos y las mezclas asflticas. En el campo de los ligantes se han definido nuevos tipos y ensayos de identificacin de los mismos, totalmente novedosos. Algo similar ocurre con las mezclas asflticas donde se aplican nueV05 criterios de diseo.

Finalmente se ha dedicado el Captulo 16 al estudio del control estadstico de calidad en el cual se plantea un modelo que establece un nivel de confiabili-dad, un mnimo necesario de muestras a extraer en un programa de control,

INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS _ XI

una localizacin alea~oria. ?e puntos de muestreo y un adecuado anlisis de los resultados y la ap(cacron de reglas de decisin.

A .tod~s I~s personas que han colaborado en este trabajo deseo expresarles mis mas ~m~ero.s ~gradecimientos, en especial al seor Decano de la Facultad d: Ingenlena Civil ?e la Universidad Catlica de Colombia, ingeniero Rafael Pere~ Carmona, qUien con su apoyo entusiasta permiti que esta obra pudiera culmmarse.

ALFONSO MONTElO FONSECA Ing. de Vas y Transportes

Especialista en Gerencia de Obra

CONTENIDO

PRESENTACiN

PREFACIO

INTRODUCCiN

CAPTULO 1 PAVIMENTOS, CONSTITUCiN Y CONCEPTOS GENERALES.

1. Descripcin y funciones de los pavimentos de carreteras . 1.1 Pavimento................... 1.2 Caractersticas que debe reunir un pavimento 1.3 Clasificacin de los pavimentos .

1.3.1 Pavimentos flexibles ... 1.3.2 Pavimentos semi-rgidos 1.3.3 1.3.4

2. Las bermas

Pavimentos rgidos .. Pavimentos articulados

3. Factores a considerar en el diseo de pavimentos. 3.1 El trnsito ... 3.2 La subrasante 3.3 El clima. . .. 3.4 Los materiales disponibles.

4. Obras de drenaje y subdrenaje en carreteras 4.1 Obras de drenaje .......... .

V

VII

IX

1

2 2 5 5 7

8

8 8 9 9

10

10 10

XIV - ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

4.1.1 El bombeo.

4.1.2 Los bordillos.

4.1.3 Los lavaderos

4.1.4 Las cunetas

4.1.5 La vegetacin

4.1.6 Zanjas de coronacin . 4.1.7 Las alcantarillas

4.2 Obras de subdrenaje 4.2.1 Subdrenes longitudinales

4.2.2 Capas drenan tes

Referencias bibliogrficas

CAPTULO 2 ESTUDIO DEL TRNSITO PARA DISEO DE PAVIMENTOS.

2.1

2.2 2.3 2.4

2.5

2.6 2.7

2.8

2.9

Introduccin . . . . . . . . . Definiciones generales Clasificacin de los vehculos Clasificacin del tipo de vehculo de acuerdo con la disposicin de sus ejes Carga mxima legal . . . . . . . . . Carga mxima legal ........ . Determinacin del trnsito existente Suputacin del trnsito durante el perodo de diseo Cargas equivalentes para el diseo de pavimentos. Determinacin del factor camin . . . . . . . .

2.8.1

2.8.2

Determinacin del factor camin por el mtodo de conteo y pesaje. . . . . . . Determinacin del factor camin por los mtodos Mopt-Ingeroute Y la Universidad del Cauca ................ .

Determinacin del nmero de ejes equivalentes de 8.2 toneladas en el carril de diseo y durante el perodo de diseo (N) ..................... .

10 11 11 11

11 12

12 12 13 13

16

17

17 17 18

19 19 19 19 25 31 31

32

34

35

INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - XV


CAPTULO 3 ESTUDIO DE lOS SUELOS PARA DISEO DE PAVIMENTOS .............. .

3.1 Definicin de suelo y roca ... 3.2 Origen y formacin de los suelos 3.3 3.4 3.5

Caractersticas de los suelos residuales Caractersticas de los suelos transportados Clasificacin de los suelos . . . . . . . . 3.5.1 Clasificacin de suelos AASHTO 3.5.2 Clasificacin unificada de suelos .

Investigacin y evaluacin de suelos para el diseo de un pavimento


CAPTULO 4 ESTABILIZACiN DE SUELOS.

4.1 Introduccin.......... 4.1 .1 Estabilidad volumtrica 4.1.2 Resistencia .. 4.1.3 Permeabilidad. 4.1.4 Compresibilidad. 4.1.5 Durabilidad...

4.2. Suelos problemticos comunes en colombia. Recomendaciones generales para su identificacin y manejo ..................... . 4.2.1 Suelos arcillosos blandos compresibles y

suelos orgnicos 4.2.2 Suelos volcnicos . 4.2.3 Suelos expansivos .

4.2.3.1 Generalidades. 4.2.3.2 Identificacin de suelos expansivos 4.2.3.3 Muestreo en suelos expansivos. . .

37

39

39 39 41 42 43 44 49

60

73

75

75 76 77 79 79 80

81

82 83 85 85 87 87

XVI - ING. ALFONSO MONTE)O FONSECA

4.2.3.4 Tcnicas de ensayo para identificacin de suelos expansivos . . . . . . . . . 88

4.2.4. Mtodos para minimizar los cambios volumtricos de la subrasante . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2.4.1 Reemplazo del material expansivo . 4.2.4.2 Aplicacin de sobrecargas . . . . . 4.2.4.3 Minimizar los cambios de humedad 4.2.4.4 Prehumedecimiento del suelo

expansivo ............. . 4.2.4.5 Estabilizacin de suelos expansivos

4.2.5 Precauciones para estudios y diseos de pavimentos sobre suelos expansivos . . . . .

4.2.6 Tcnicas comnmente utilizadas en Colombia para tratar suelos expansivos . . . . . . .

4.3 Estabilizacin de suelos con cal . . . . . . . . . . 4.3.1 Generalidades sobre la estabilizacin de

suelos ................ . 4.3.2 Objetivos de la estabilizacin con cal 4.3.3 Materiales usados en la estabilizacin de

suelo-cal .... 4.3.3.1 Suelos 4.3.3.2 Cal ... 4.3.3.3 Cal viva 4.3.3.4 Cal-Grasa 4.3.3.5 Cal Magra 4.3.3.6 Cales Hidrulicas

4.3.4 Influencia de la cal en las caractersticas de los suelos ..................... .

4.3.5 Influencia de la cal sobre las constantes fsicas del suelo ................... . 4.3.5.1 Lmite lquido- Lmite plstico-ndice

plstico .......... ' .... . 4.3.5.2 Lmite de contraccin . . . . . . . . 4.3.5.3 Influencia sobre la textura elemental

4.3.6 Influencia sobre la densidad seca ..... .

94 94 95

95

96/

97

98 99

99 100

101 101 101 102 102 103 103

104

104

104 105 105 105

INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS _ XVII

4.3.7 Influencia sobre la resistencia de los suelos . 4.3.8 Determinacin del porcentaje ptimo de cal

4.4 Estabilizacin mecnica . . . . . . . . 4.5 Estabilizacin de suelos con cemento 4.6 Estabilizacin de suelos con asfalto . .

4.6.1 Propiedades que presentan los suelos estabilizados con asfalto

4.6.2 Diseo de las mezclas " 4.6.3 Construccin ..... . .

4.7 Estabilizacin con cido fosfrico. 4.8 Estabilizacin con cloruro de sodio 4.9 Estabilizacin con soda custica . 4.10 Uso de polmeros y resinas . . . . 4.11 El drenaje como sistema de estabilizacin . 4.12 Estabilizacin electroqumica con aceite sulfonado

Caractersticas fsico-qumicas . . . . . . . . . . Accin del aceite sulfonado sobre las partculas del suelo .......... . Densificacin del suelo . Fundamento geotcnico .

4.13 Capas estabilizadas


CAPTULO 5 DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES Y SEMIRCIDOS PARA CARRETERAS . ........

Introduccin . . . . . . . . . . . ... .......

5.1 5.2 Dis:o de pavi~entos asflticos en vas con bajos

vo(umenes de transito . . . .. ....... . 5.2.1 Introduccin. 5.2.2 Trnsito ... 5.2.3 Estudio de la subrasante 5.2.4 Ejemplo de aplicacin. .

106 107 107 112 117

117 118 119 120 120 121 121 121 122 122

122 123 123 124

124

129

129

130 130 130 133 135

XVIII - ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

5.3

5.2.5 Seleccin de la estructura. . . .. .... Mtodo de diseo de pavimentos asflticos. en vas con medios y altos volmenes de trnsito. ... . 5.3.1 Introduccin....... . ...... . 5.3.2 Proyeccin del trnsito y clculo del nmero

de ejes equivalentes en el perodo de diseo para el nivel 1 . . . . . . .. ....

5.3.3 Proyeccin del trnsito y el clculo del nmero de ejes equivalentes en el perodo de diseo para el nivel 2 . . . . . . . . . . .

5.3.4 Factores ambientales y climticos .... 5.3.5 Seleccin de las condiciones de humedad

prevalecientes en la obra . . .. ... 5.3.6 Determinacin del tamao de la muestra o

nmero de ensayos requeridos para la caracterizacin de la resistencia de la subrasante . . . . . . . . . .

5.3.7 Seleccin del mdulo resiliente de diseo y clasificacin de la subrasante de la unidad .

5.3.8 Listado general de materiales para pavimentos y convenciones . . .. ....

5.3.9 Costos asociados a la operacin de un pavimento durante el perodo de anlisis econmico .......... . .

5.3.10 Algunos comentarios relativos al anlisis econmico .. . . .. . ....

5.3.11 El costo global actualizado (CGA) como criterio de comparacin econmica de las alternativas estructurales . . . . .

5.3.12 Parmetros generales para la evaluacin de alternativas . ....... .

5.3.13 Ejemplo de clculo del costo global actualizado (CGA) de una alternativa estructural ..

5.3.14 Ejemplo No. 1 5.3.15 Ejemplo No. 2

140

161 161

166

171

176

182

184

185

186

189

190

192

193

195 195 199

I

INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - XIX

5.4 Mtodo del TRL para diseo de pavimentos flexibles en pases tropicales y subtropicales . 5.4.1 Evaluacin del trnsito 5.4.2 La subrasante .. 5.4.3 Materiales de construccin 5.4.4 Figuras de diseo ...

5.5 Mtodo de diseo de espesores de pavimento flexible para carreteras segn el instituto del asfalto 5.5.1 Variables de diseo. .. .. 5.5.2 Procedimiento de diseo ... ..

5.6 Mtodo AASHTO para diseo de pavimentos flexibles (versin 1986) .. 5.6.1 Introduccin.. ... 5.6.2 Variables para el diseo. 5.6.3 Criterios de comportamiento 5.6.4 Propiedades de los materiales 5.6.5 Caractersticas estructurales del pavimento 5.6.6 Diseo estructural del pavimento

5.7 Mtodo Shell para el diseo de espesores de pavimentos flexibles . . . . .. ... ... .

5.8 Pavimentos semirgidos .. . .... . 5.8.1 Pavimentos con capas de suelo cemento 5.8.2 Pavimentos con capas de suelo - cal 5.8.3 Estabilizacin de suelos con asfalto


CAPTULO 6 DISEO DE ESPESORES DE PAVIMENTOS RGIDOS PARA CALLES Y CARRETERAS . . . . . . . . . .

6.1 6.2

Introduccin . . . .. Mtodo de la Portland Cement Association (PCA) 6.2.1 Procedimiento de diseo para el caso en que se

disponga de datos sobre distribucin de carga por eje

229 230 231 232 236

247 247 249

263 263 263 265 265 271 274

282 309 309 313 315

317

319

319 320

327

xx - ING. ALFONSO MONTElO FONSECA

6.2.2 Procedimiento simplificado de diseo para el caso en que no se disponga de datos sobre distribucin de cargas por eje

6.3 Las juntas en los pavimentos rgidos 6.3.1 Finalidad de las juntas. 6.3.2 Elementos de la junta 6.3.3 Clases de juntas Juntas de contraccin Juntas de dilatacin


CAPTULO 7 DISEO DE ESPESORES DE PAVIMENTOS DE ADOQUINES DE CONCRETO . . . . . . . . . . . . . . . .

7.1 Introduccin... 7.2 Casos especiales . 7.3 Diseo de un pavimento nuevo.

7.3.1 Evaluacin de la subrasante . 7.3.2 Seleccin del espesor del pavimento.

7.4 Especificaciones para los materiales del pavimento


CAPTULO 8 MATERIALES PARA CONSTRUCCiN Y MEJORAMIENTO DE PAVIMENTOS

8.1 Introduccin......... .. 8.2 Tecnologa del hormign simple

8.2.1 El Cemento . . . . . .. 8.2.2 8.2.3 8.2.4

Caractersticas de los agregados El agua de mezclado . . . . . La mezcla de hormign . . . .

8.3 Tecnologa de las mezclas bituminosas 8.3.1 Materiales asflticos. . ..

8.4 Capas granulares para pavimentos

344 354 354 356 359 362 363

363

365

365 366 366 366

372

378

379

379 379 380 393 409 416 420 420 464

INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - XXI

8.5 Control de calidad de materiales y de construccin

Referencias bibliogrficas .

CAPTULO 9 COMPACTACIN

9.1 Compactacin de suelos 9.1.1 Antecedentes .. 9.1.2 Efectos de los diferentes factores que intervienen

467

473

475

475 475

en la compactacin .......... 477 9.1.2.1 Efectos de contenido de agua 477

9.1.3

9.14 9.1.5

9.1.2.2 Efectos de la energa de compactacin 9.1.2.3 Efectos del mtodo de compactacin 9.1.2.4 Efectos de la fraccin gruesa Requisito de compactacin. . . Ensayos de compactacin ... Compactacin y compactadores

9.2 Compactacin de mezclas asflticas . . 9.2.1 Influencia de las propiedades de los materiales

en la compactacin . . . . . . . ..... 9.2.2 Influencia del espesor de la capa asfltica 9.2.3 Influencia de la temperatura de la mezcla 9.2.4 Influencia de las condiciones climticas

en la compactacin . . . . . . . . . . . . 9.2.5 Equipos de compactacin ....... . 9.2.6 Ventajas de la compactacin de pavimentos

al 100 por ciento de la densidad de laboratorio durante la construccin .

9.2.7 Tramos de prueba.


CAPTULO 10 EVALUACiN DE PAVIMENTOS EN SERVICIO Y DISEO DE OBRAS DE MEJORAMIENTO . . . . . . . . . . . . .

10.1 Introduccin......... ..

477 479 481 481 483 490 498

498 499 501

501 502

503 503

504

505

505

XXII - ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

10.2 Tipos de fallas en los pavimentos flexibles . . . . .. 10.3 Patologa de las estructuras de pavimento en servicio

10.3.1 Informacin existente . . . . . ... 10.3.2 Examen superficial del pavimento . 10.3.3 Evaluacin estructural continua por

deflectometra . . . . . . . . . . . . 10.3.4 Evaluacin de la regularidad superficial 10.3.5 Evaluacin de la textura superficial de un

pavimento ............... . 10.3.6 Evaluacin geotcnica de los materiales

de la estructura existente . . . . . . . . 10.4 Criterio del instituto del asfalto para el diseo de

refuerzos de pavimentos flexibles . . . . . . 10.4.1 Diseo de sobrecapas asflticas en

pavimentos flexibles ............. .

10.5 Diseo racional de refuerzos de pavimentos flexibles criterio de Lilli - Lockhart . . . . . . . . . . .

10.6 Refuerzos de concreto hidrulico sobre pavimentos rgidos de calles y carreteras


CAPTULO 11 RECICLAJE DE PAVIMENTOS flEXIBLES ...

11.1 Introduccin... .... 11 .2 Campos de aplicacin del reciclaje 11.3 Tipos de reciclaje ........ . 11.4 Ventajas de las tcnicas de reciclado 11.5 Reciclaje superficial . . . . . . . 11.6 Reciclaje en el lugar . . . . . . . 11.7 Reciclaje en planta (en caliente) . 11 .8 Diseo de mezclas asflticas recicladas en fro

(mtodo del instituto del asfalto) .. Paso 1 - Combinacin de agregados Paso 2 - Seleccin del asfalto nuevo

506 507 507 508

519 532

537

541

542

542

553

579

587

589

589 590 590 591 592 594 595

596 602 602

INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - XXIII

Paso 3 - Determinacin de la cantidad total de asfalto . Paso 4 - Porcentaje de asfalto nuevo por aadir Paso 5 - Pruebas de campo Diseo de espesores

11.9 Diseo de mezclas asflticas recicladas en caliente (mtodo del Instituto del Asfalto) ......... . Paso 1 - Combinacin de agregados para la mezcla

reciclada ................ . Paso 2 - Demanda de asfalto para la combinacin

de agregados . . . . . . . . . . . . . . . Paso 3 - Porcentaje de asfalto nuevo en la mezcla Paso 4 - Seleccin del grado del asfalto nuevo Paso 5 - Tanteo de diseo de la mezcla ... Paso 6 - Seleccin de la frmula de trabajo. Diseo de espesores

--Referencias bibliogrficas .

CAPTULO 12 ASFALTOS MODIFICADOS

12.1 Introduccin......... 12.2 Objetivo de la modificacin 12.3 Beneficios que se buscan con la modificacin del

asfalto ............. . 12.4 Las asociaciones asfalto-polmero 12.5 Compatibilidad ....... .. 12.6 Caracterizacin de los asfaltos modificados con

polmeros ............... . 12.7 Aplicaciones de los ligantes modificados

12.7.1 Mezclas drenantes . . . . . . . 12.7.2 Mezclas en caliente en capas delgadas

(Microaglomerados en caliente) .... 12.7.3 Mezclas bituminosas altamente resistentes para

capa de rodadura . . . . . . . . . . . . . . . .

602

603 603 603

607

612

612 612 612 613 615

615

615

617

617 617

619 619 623

625 629 630

630

632

XXIV - ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

12.7.4 Tratamientos superficiales mediante riego con gravilla ................ .

12.7.5 Lechadas Bituminosas ........ . 12.7.6 Membranas absorventes de tensiones 12.7.7 Mezclas de alto mdulo ... . . . .

12.8 Emulsiones con asfaltos previamente modificados (2,3,4) ...................... .

12.9 Elaboracin de emulsiones con asfalto modificado. 12.10 Caracterizacin de las emulsiones modificadas 12.11 Aplicaciones de las emulsiones modificadas con

polmeros(2,3) . . . . . . 12.12 Tratamientos superficiales . 12.13 Mezclas abiertas en fro . . 12.14 Microaglomerados en fro . 12.15 Tratamientos antifisuras


CAPTULO 13 El ASFALTO ESPUMADO

13.1 Introduccin .......... . 13.2 Obtencin del asfalto espumado 13.3 Caractersticas del asfalto espumado 13.4 Materiales tratados con asfalto espumado 13.5 El asfalto espumado en la construccin vial 13.6 Procedimiento del diseo de mezcla 13.7 Condiciones de curado . . . . . .. 13.8 Construccin de vas con asfalto espumado 13.9 Las economas del asfalto espumado 13.10 Reciclaje con asfalto espumado.


CAPTULO 14 MEZClAS ASFlTICAS DRENANTES

632 632 633 633

633 634 634

635 635 636 636 638

638

639

639 639 640 641 645 646 648 649 650 650

652

653

INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - XXV

14.1 Definicin 14.2 Historia.


CAPTULO 15 SUPERPAVE ................

15.1 Introduccin .. " 15.2 Nuevos criterios Superpave para ligantes

asflticos " . . . . . . . . I 5.3 Mtodos de ensayo Superpave para asfaltos 15.4 Especificacin Superpave para asfaltos 15.5 Especificaciones Superpave para mezclas

asflticas . .. .. ...... . 15.5.1 Mtodos de ensayo Superpave para

mezclas asflticas '" . 15.5.2 Diseo de mezclas asflticas, Nivel 1 15.5.3 Diseo de mezcla, Nivel 2

15.6 Diseo de mezclas nivel 3: propiedades fundamentales basadas en el comportamiento en servicio. " ....... ..

15.7 Caractersticas de los agregados utilizados en la mezcla asfltica segn Superpave . 15.7.1 Propiedades de la fuente de origen 15.7.2 Granulometra.

Referencias bibliogrficas .

CAPTULO 16 CONTROL ESTADSTICO DE CALIDAD

16.1 Introduccin .. 16.2 Trminos estadsticos y de control de calidad

16.2.1 Conjuntos de datos . . .

16.3 16.2.2 Representaciones numricas Funcin de los mtodos estadsticos en la administracin de procesos de produccin.

653 654

666

667

667

667 669 677

680

680 685 688

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711

715

715 716 716 716

718

XXVI - ING. ALFONSO MONTEIO FONSECA

16.4 Diagramas de Pareto de Fenmenos y Diagramas de Pareto de Causas. . . . 16.4.1 Diagrama de Pareto de Fenmenos 16.4.2 Diagrama de Pareto de Causas ... 16.4.3 Diagramas de Causa-Efecto . . . . .

16.5 Procedimiento para elaborar los diagramas de Causa-Efecto para la identificacin de causas

16.6 Los histogramas . . . . . . . . 16.7 Grficos de control ..... .

16.7.1 Causas debidas al azar 16.7.2 Causas asignables .

16.8 Ejemplos de aplicacin Referencias bibliogrficas ....

719 719 719 720

720 721 725 726 726 731

734

CAPTULO 1 PAVIMENTOS, CONSTITUCiN y CONCEPTOS (jENERAlES

1. DESCRIPCiN y FUNCIONES DE lOS PAVIMENTOS DE CARRETERAS

1.1 PAVIMENTO

U n pavimento est constituido por un conjunto de capas superpuestas, relativamente horizontales, que se disean y construyen tcnicamente con materiales apropiados y adecuadamente compactados. Estas estructuras es-tratificadas se apoya sobre la subrasante de una va obtenida por el movi-miento de tierras en el proceso de exploracin y que han de resistir adecuadamente los esfuerzos que las cargas repetidas del trnsito le transmite durante el perodo para el cual fu diseada la estructura del pavimento.

1.2 CARACTERSTICAS QUE DEBE REUNIR UN PAVIMENTO

Un pavimento para cumplir adecuadamente sus funciones debe reunir los siguientes requisitos:

2 - ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

Ser resistente a la accin de las cargas impuestas por el trnsito.

Ser resistente ante los agentes de intemperismo.

Presentar una textura superficial adaptada a las velocidades previstas de circulacin de los vehculos, por cuanto ella tiene una decisiva influencia en la seguridad vial. Adems, debe ser resistente al desgaste producido por el efecto abrasivo de las llantas de los vehculos.

Debe presentar una regularidad superficial, tanto transversal como longitudi-nal, que permitan una adecuada comodidad a los usuarios en funcin de las longitudes de onda de las deformaciones y de la velocidad de circulacin.

Debe ser durable.

Presentar condiciones adecuadas respecto al drenaje. El ruido de rodadura, en el interior de los vehculos que afectan al usuario,

as como en el exterior, que influye en el entorno, debe ser adecuadamente moderado.

Debe ser econmico.

Debe poseer el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramientos, y ofrecer una adecuada seguridad al trnsito.

1.3 CLASIFICACiN DE LOS PAVIMENTOS

En nuestro medio los pavimentos se clasifican en: pavimentos semi-rgidos o semi-flexibles, pavimentos articulados.

1.3.1 Pavimentos flexibles

pavimentos flexibles, rgidos y pavimentos

Este tipo de pavimentos estn formados por una carpeta bituminosa apoyada generalmente sobre dos capas no rgidas, la base y la subbase. No obstante puede prescindirse de cualquiera de estas capas dependiendo de las necesi-dades particulares de cada obra.

En la Figura No.l.l se muestra un corte tpico de un pavimento flexible.

INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - 3

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4 - ING. ALFONSO MONTEIO FONSECA

1.3.1.1 Funciones de las capas de un pavimento flexible la subbase granular Funcin econmica. Una de las principales funciones de esta capa es

netamente econmica; en efecto, el espesor total que se requiere para que el nivel de esfuerzos en la subrasante sea igualo menor que su propia resistencia, puede ser construido con materiales de alta calidad; sin embar-go, es preferible distribuir las capas ms calificadas en la parte superior y colocar en la parte inferior del pavimento la capa de menor calidad la cual es frecuentemente la ms barata. Esta solucin puede traer consigo un aumento en el espesor total del pavimento y no obstante, resultar ms econmica.

Capa de transicin. La sub base bien diseada impide la penetracin de los materiales que constituyen la base con los de la subrasante y por otra parte, acta como filtro de la base impidiendo que los finos de la subrasante la contaminen menoscabando su calidad.

Disminucin de las deformaciones. Algunos cambios volumtricos de la capa subrasante, generalmente asociados a cambios en su contenido de agua (expansiones), o a cambios extremos de temperatura (heladas), pueden absorberse con la capa subbase, impidiendo que dichas deforma-ciones se reflejen en la superficie de rodamiento.

Resistencia. La subbase debe soportar los esfuerzos transmitidos por las cargas de los vehculos a travs de las capas superiores y transmitidos a un nivel adecuado a la subrasante.

Drenaje. En muchos casos la subbase debe drenar el agua, que se introduzca a travs de la carpeta o por las bermas, as como impedir la ascensin capilar.

la base granular

Resistencia. La funcin fundamental de la base granular de un pavimento consiste en proporcionar un elemento resistente que transmita a la subbase ya la subrasante los esfuerzos producidos por el trnsito en una intensidad apropiada.

Funcin econmica. Respecto a la carpeta asfltica, la base tiene una funcin econmica anloga a la que tiene la subbase respecto a la base.

Carpeta

Superficie de rodamiento. La carpeta debe proporcionar una superficie uniforme y estable al trnsito, de textura y color conveniente y resistir los efectos abrasivos del trnsito.


. Impermeabilidad. Hasta donde sea posible, debe impedir el paso del agua al interior del pavimento.

. Resistencia. Su resistencia a la tensin complementa la capacidad estruc-tural del pavimento.

1.3.2 Pavimentos semi-rgidos

Aunque este tipo de pavimentos guarda bsicamente la misma estructura de un pavimiento flexible, una de sus capas se encuentra rigidizada artificialmente con un aditivo que puede ser: asfalto, emulsin, cemento, cal y qumicos. El empleo de estos aditivos tiene la finalidad bsica de corregir o modificar las propiedades mecnicas de los materiales locales que no son aptos para la construccin de las capas del pavimento, teniendo en cuenta que los adecua-dos se encuentran a distancias tales que encareceran notablemente los costos de construccin.

1.3.3 Pavimentos rgidos

Son aquellos que fundamentalmente estn constituidos por una losa de concreto hidrulico, apoyada sobre la subrasante o sobre una capa, de material seleccionado, la cual se denomina subbase del pavimento rgido (ver Figura 1.2). Debido a la alta rigidez del concreto hidrulico as como de su elevado coeficiente de elasticidad, la distribucin de los esfuerzos se produce en una zona muy amplia. Adems como el concreto es capaz de resistir, en cierto grado, esfuerzos a la tensin, el comportamiento de un pavimento rgido es suficientemente satisfactorio an cuando existan zonas dbiles en la subrasante. La capacidad estructural de un pavimento rgido depende de la resistencia de las losas y, por lo tanto, el apoyo de las capas subyacentes ejerce poca influencia en el diseo del espesor del pavimento.

1.3.3. 1 Funciones de las capas de un pavimento rgido

la subbase

La funcin ms importante es impedir la accin del bombeo en las juntas, grietas y extremos del pavimento. Se entiende por bombeo a la fluencia de material fino con agua fuera de la estructura del pavimento, debido a la infiltracin de agua por las juntas de las losas. El agua que penetra a travs de las juntas lica el suelo fino de la subrasante facilitando as su evacuacin

6 - ING. ALFONSO MaNTElO FONSECA

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Adoquines

Deben tener una resistencia adecuada para soportar las cargas del trnsito, y en especial, el desgaste producido por ste.

Sello de arena

Est constituido por arena fina que se coloca como lIenante de las juntas entre los adoquines; sirve como sello de las mismas y contribuye al funcionamiento, como un todo, de los elementos de la capa de rodadura.

2. LAS BERMAS Como se puede apreciar en las Figuras 1.1 1.2, las bermas son aquella parte de la corona del pavimento que se encuentra aledaa a la superficie de rodamiento y que tiene como funcin principal, proporcionar un espacio adecuado para la detencin de vehculos en emergencia.

En nuestro medio el ancho de las bermas es variable, entre 0.50 y 2.00 metros, y depende de la importancia de la carretera. La pendiente transversal de las bermas es algo mayor a la de la carretera. La pendiente transversal de las bermas es algo mayor a la de la superficie del pavimento para permitir una adecuada evacuacin de las aguas lluvias.

Las bermas de las carreteras importantes estn pavimentadas y en ocasiones tienen la misma estructura de la calzada, aunque en general, en nuestras carreteras, su estructura tiene una menor capacidad de soporte. Las bermas debern tener una adecuada estructura con respecto a la prevista para la calza-da, de tal forma, que deben ser capaces de soportar cargas estticas de vehcu-los pesados ocasional mente estacionados y ser eco nm icas. Es deseable adems una diferenciacin visual entre las superficies de rodadura de calzada y bermas.

3. FACTORES A CONSIDERAR EN El DISEO DE PAVIMENTOS

Aunque estos factores son analizados con ms detalle en captulos posteriores es necesario hacer una descripcin general de los mismos.

3.1 EL TRNSITO Interesan para el dimensionamiento de los pavimentos las cargas ms pesadas por eje (simple, tndem o tridem) esperadas en el carril de diseo (el ms


solicitado, que determinar la estructura del pavimento de la carretera) durante el perodo de diseo adoptado. La repeticin de las cargas del trnsito y la consecuente acumulacin de deformaciones sobre el pavimento (fatiga) son fundamentales para el clculo. Adems, se deben tener en cuenta las mximas presiones de contacto, las solicitaciones tangenciales en tramos especiales (curvas, zonas de frenado y aceleracin, etc), las velocidades de operacin de los vehculos (en especial las lentas en zonas de estacionamiento de vehculos pesados), la canalizacin del trnsito, etc.

3.2 LA SUBRASANTE

De la calidad de esta capa depende, en gran parte, el espesor que debe tener un pavimento, sea ste flexible o rgido. Como parmetro de evaluacin de esta capa se emplea la capacidad de soporte o resistencia a la deformacin por esfuerzo cortante bajo las cargas del trnsito. Es necesario tener en cuenta la sensibilidad del suelo a la humedad, tanto en lo que se refiere a la resistencia como a las eventuales variaciones de volumen (hinchamiento - retraccin). Los cambios de volumen de un suelo de subrasante de tipo expansivo pueden ocasionar graves daos en las estructuras que se apoyen sobre ste, por esta razn cuando se construya un pavimento sobre este tipo de suelos deber tomarse la precaucin de impedir las variaciones de humedad del suelo para lo cual habr que pensar en la impermeabilizacin de la estructura. Otra forma de enfrentar este problema es mediante la estabilizacin de este tipo de suelo con algn aditivo, en nuestro medio los mejores resultados se han logrado mediante la estabilizacin de suelos con cal.

3.3 EL CLIMA Los factores que en nuestro medio ms afectan a un pavimento son las lluvias y los cambios de temperatura.

Las lluvias por su accin directa en la elevacin del nivel fretico influyen en la resistencia, la compresibilidad y los cambios volumtricos de los suelos de subrasante especialmente. Este parmetro tambin influye en algunas activi-dades de construccin tales como el movimiento de tierras y la colocacin y compactacin de capas granulares y asflticas.

Los cambios de temperatura en las losas de pavimentos rgidos ocasionan en stas esfuerzos muy elevados, que en algunos casos pueden ser superiores a los generados por las cargas de los vehculos que circulan sobre ellas.

1 O - ING. ALFONSO MONTElO FONSECA

En los pavimentos flexibles y dado que el asfalto tiene una alta susceptibilidad trmica, el aumento o la disminucin de temperatura puede ocasionar una modificacin sustancial en el mdulo de elasticidad de las capas asflticas, ocasionando en ellas y bajo condiciones especiales, deformaciones o agrie-tamientos que influiran en el nivel de servicio de la va.

3.4 Los MATERIALES DISPONIBLES Los materiales disponibles son determinantes para la seleccin de la estructura de pavimento ms adecuada tcnica y econmicamente. Por una parte, se consideran los agregados disponibles en canteras y depsitos aluviales del rea. Adems de la calidad requerida, en la que se incluye la deseada homogeneidad, hay que atender al volumen disponible aprovechable, a las facilidades de explotacin y al precio, condicionado en buena medida por la distancia de acarreo. Por otra parte, se deben considerar los materiales bsicos de mayor costo: ligan tes y conglomerantes, especialmente.

El anlisis de los costos de construccin debe complementarse con una prevencin del comportamiento del pavimento durante el perodo de diseo, la conservacin necesaria y su costo actualizado y, finalmente, una estimacin de futuros refuerzos estructurales, renovaciones superficiales o reconstruccio-nes.

Deber tenerse en cuenta, adems, los costos del usuario relacionados con su seguridad y con las demoras que se originan en carreteras relativamente congestionadas por los trabajos de conservacin y repavimentacin.

4. OBRAS DE DRENAJE Y SUBDRENAJE EN CARRETERAS

4. 1 OBRAS DE DRENAJE Las estructuras de drenaje tienen como objetivo controlar el agua que llega a la va y la afectan por escurrimiento superficiat independientemente que las aguas hayan cado sobre o fuera de la va. Las obras de drenaje ms comunes son:

4.1.1 El bombeo

Se entiende por bombeo a la pendiente transversal que se da en las carreteras yen las aeropistas para permitir que el agua que cae directamente sobre ellas


escurra hacia sus dos hombros. En una va de dos carriles de circulacin y en secciones en tangente el bombeo debe tener un 2% de pendiente desde el eje del camino hasta el hombro correspondiente, en las secciones en curva la pendiente transversal ocurre sin discontinuidad, desde el hombro ms elevado al ms bajo. En las carreteras con pavimento rgido el bombeo puede ser un poco menor, del orden de 1.5%.

En las aeropistas se dispone tambin el bombeo desde el eje hacia los hombros, con pendiente de 1.5%, generalmente.

4.1.2 Los bordillos

Los bordillos son estructuras que se colocan en el borde exterior del acota-miento en las secciones en tangente (ver la Figura 1.3), en el borde opuesto al corte en las secciones en balcn o en la parte interior de las secciones de tarrapln en curva. Son pequeos bordos que forman una barrera para conducir el agua hacia los lavaderos o bajan tes, evitando erosiones en los taludes y saturacin de stos por el agua que cae sobre la corona de la va.

4.1.3 Los lavaderos

Los lavaderos son canales que se conectan con los bordillos y bajan transver-salmente por los taludes, con el objeto de conducir el agua lluvia que escurre por los acotamientos hasta lugares alejados de los terraplenes, en donde ya sea inofensiva.

4.1.4 Las cunetas

Las cuentas son canales que se adosan a los lados de la corona de la va y paralelamente al eje longitudinal de la misma. El objetivo de esta estructura es la de recibir el agua superficial proveniente del talud y de la superficie de rodamiento.

4.1.5 La vegetacin

La ms efectiva proteccin de los taludes de un corte o un terrapln contra la accin erosiva del agua superficial es la plantacin de especies vegetales; stas retardan el escurrimiento, disminuyendo la energa del agua contribu-yendo de paso al equilibrio de la humedad de los suelos que conforman los taludes del corte a terrapln.

1 2 - ING. ALFONSO MaNTElO FONSECA

4.1.6 Zanjas de coronacin Son zanjas excavadas en el terreno natural, que se localizan en la parte superior de los taludes de los cortes, con la finalidad de interceptar el agua superficial que escurre ladera abajo desde mayores alturas, para evitar la erosin el talud y el congestionamiento de la cunetas y la corona de la carretera por el agua y su material de arrastre.

4.1.7 Las alcantarillas

Este tipo de estructura es la responsable del drenaje transversal; es decir del paso del agua a travs de la obra, en una direccin ms o menos perpendicular a ella.

4.2 OBRAS DE SUBDRENAjE El subdrenaje en las carreteras permite reducir los efectos desfavorables del agua interna sobre la estabilidad de las calzadas y de las explanaciones. El agua interna tiene normalmente dos orgenes, interior y exterior.

El agua puede manifestarse por ascensin capilar a partir del nivel fretico (ms precisamente por fenmenos de succin en fase lquida, o an en fase vapor). Adems, pueden aparecer, en los taludes o en la banca, fuentes de agua aisladas o repartidas que, no solamente dificultan la realizacin de las obras nuevas, sino que tambin comprometen la estabilidad de las carreteras posteriormente a su construccin.

El agua de lluvias no se evaca totalmente por los dispositivos de drenaje superficial, parte se infiltra a travs de los taludes, de las bermas u ocasional-mente del pavimento.

Los objetivos del drenaje interno de las carreteras son: Facilitar la ejecucin de las explanaciones durante la fase de construccin

de la carretera.

Aumentar la capacidad portante de la subrasante y reducir as el espesor del pavimento.

Contribuir en la estabilidad de los taludes mediante la orientacin ms favorable de los flujos de agua interna, la reduccin de las presiones intersticiales y en consecuencia el mejoramiento de las propiedades geo-tcnicas.

INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - 1 3

Los principales dispositivos de drenaje interno son los siguientes:

4.2.1 Subdrenes longitudinales

En la fase de modernizacin de una carretera existente, como en la fase de construccin inicial, los subdrenes longitudinales son los dispositivos bsicos de drenaje interno en zonas de corte y sus principales funciones son: Abatimiento de un nivel fretico.

Eliminacin de aguas de filtracin.

Derivacin de fuentes de agua situadas debajo de la subrasante. (Ver las Figuras 1.4 y 1.5).

4.2.2 Capas drenantes

Las capas drenantes pueden preverse en zonas de cortes o de terraplenes (Ver Figuras 1.6 y 1.7). En las zonas de corte una capa drenante se construye encima de la subrasante como primera capa del pavimento; permite recoger el agua de filtracin o el agua de origen interior; se conecta imperativamente con subdrenes longitudinales localizados a ambos lados de la banca. Cuando la subrasante atraviesa una formacin con fuentes de agua, es conveniente asociar la capa drenante con una red de subdrenes oblicuos dispuestos en forma de espina de pescado. En zona de terrapln, puede preverse la interposicin de una capa drenante entre el terreno natural y el cuerpo del terrapln, especialmente en el caso de construccin de un terrapln sobre suelos compresibles; en algunos casos se completa este sistema de acelera-cin de la consolidacin con pozos verticales, llenados con arena y unidos en su parte superior con la capa drenante.

El material de la capa drenante, as como el material colocado alrededor de los eventuales subdrenes complementarios, deben cumplir las condiciones de filtro siguientes:

Se denomina "S" el suelo natural en el cual se excava la trinchera, y "f" el material de filtro cuya gradacin se determina para que satisfaga "condiciones de filtro" que se refieren a la permeabilidad relativa y la no contaminacin.

Condicin de no arrastre del material de filtro a travs de las perforaciones o de las juntas de la tubera. Habitualmente esta condicin se expresa por la relacin experimental:

1 4 - ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

Figura 1.3 - Lavadero y bordillo.

Talud del corte Cuneta en concreto hidrulico

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012mn

Nivel subrasonte Nivel

CAPETA BASE

SUB-BASE

030mn CAPA SUB- RASANTE ': .. ':::~ ~,;

1 6 - ING. ALFONSO MONTElO FONSECA

f85 > 2d (1.1 ) donde "f85" designa la malla del tamiz en el cual pasa el 85% (en peso) del material de filtro; y "d" es el tamao de los orificios de la tubera.

Condicin de no contaminacin del material de filtro por los elementos del suelo S, y condicin de permeabilidad del filtro notablemente superior a la del suelo S.

Estas condiciones se expresan experimentalmente por la doble desigual-dad:

SS 15 < f1 5 < 5S85 (1.2) Como condicin suplementaria se exige que la curva granulomtrica del filtro sea aproximadamente paralela a la del suelo S. A veces se aade una condicin de uniformidad relativa del material de filtro:

f60 < 20f10, as como una condicin de limpieza de dicho material (por ejemplo, equivalente de arena superior a 40).

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS 1. JUREZ BADILLO, E. Y RICO, A. Mecnica de suelos, Tomo 111. Flujo de agua en

suelos.

2. MORENO PECEROS, Gabriel. Comentarios generales sobre drenaje, 1974. 3. OTONIEL FERNNDEZ, Hernn. Curso de pavimentos, Instituto de Vas, Univer-

sidad del Cauca, 1979.

4. RICO, Alfonso y DEL CASTILLO, Hermilo. La Ingeniera de Suelos en las Vas Terrestres, Tomo 2, Obras Complementarias de Drenaje.

CAPTULO 2 ESTUDIO DEL TRNSITO PARA DISEO DE PAVIMENTOS

2.1 INTRODUCCIN

Probablemente, la variable ms importante en el diseo de una va es el trnsito, pues, si bien el volumen y dimensiones de los vehculos influyen en su diseo geomtrico, el nmero y el peso de los ejes de stos son factores determinantes en el diseo de la estructura del pavimento.

En este captulo se presentan los elementos necesarios para cuantificar el trnsito, as como la metodologa para calcular el nmero probable de aplica-ciones de una carga patrn equivalente que utilizar el pavimento durante la vida de ste.

2.2 DEFINICIONES GENERALES a) Eje sencillo: es un eje en cuyos extremos lleva una o dos ruedas sencillas. b) Eje tndem: es aquel constituido por dos ejes sencillos con rueda doble

en los extremos.

e) Eje tridem: es aquel constituido por tres ejes sencillos con rueda doble en los extremos.

1 8 - ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

d) Vehculos livianos: Son aquellos de menos de 5 toneladas de capacidad tales como automviles, camionetas, camperos, etc.

e) Vehculos comerciales: Son aquellos de ms de 5 toneladas de capacidad tales como camiones, buses, remolques, etc.

f) Volumen de trnsito: Es el nmero de vehculos que circulan en ambas direcciones por una seccin de va durante un perodo especfico de tiempo. Este puede ser horario, diario, semanal, etc.

g) Trnsito promedio diario: Es el volumen de trnsito durante un perodo de tiempo, dividido por el nmero de das del perodo.

Abreviadamente se denota como TPD. Segn el perodo utilizado para medir el volumen de trnsito, el TPD puede ser anual, mensual o semanal, denominndose TPDA, TPDM, Y TPDS, respectivamente.

h) Trnsito existente: Es aquel que presenta la va antes de ser pavimentada. i) Trnsito atrado: Es el volumen de trnsito que, sin cambiar ni su origen

ni su destino, puede ocupar la futura va pavimentada como ruta alterna, afluyendo a ella a travs de otras vas ya existentes.

j) Trnsito generado en una va nueva o mejorada: Es el volumen de trnsito que resulta como consecuencia del desarrollo econmico y social de la nueva zona de influencia.

k) Trnsito inducido: Es la suma del trnsito atrado y generado. 1) Nivel de servicio: Es una medida de la calidad del flujo de trnsito por la

va. Se cuantifica con una serie de factores tales como la velocidad, el tiempo de recorrido, las interrupciones del trnsito, la libertad de manejo, la seguridad y los costos de operacin.

m) Volumen de servicio: Es el volumen de trnsito que le corresponde a cada nivel de servicio.

n) Capacidad: La capacidad de una va o de un carril es el nmero mximo de vehculos que puede circular por una u otra durante un perodo de tiempo determinado sin que se presenten demoras ni restricciones en la libertad de movimiento de los vehculos.

2.3 CLASIFICACIN DE lOS VEHCULOS EIINV (Instituto Nacional de Vas) ha designado la siguiente terminologa para los vehculos que circulan en el pas:

A = Vehculos livianos B = Buses C = Camiones.


Adems, ha clasificado el tipo de vehculo de acuerdo con el nmero y disposicin de sus ejes de la forma que se muestra en la Figura 2.1.

2.4 CLASIFICACIN DEL TIPO DE VEHCULO DE ACUERDO CON lA DISPOSICIN DE SUS EJES

Carga mxima legal

La diversidad en las caractersticas de los vehculos que circulan sobre un pavimento durante su vida de diseo, traen como consecuencia un amplio espectro de ejes de carga, con diferentes espacios entre llantas y distintas presiones de inflado, lo que origina una amplia gama de esfuerzos y deforma-ciones aplicados a un determinado punto de la estructura. La anterior consi-deracin, plantea un problema muy complejo que hace necesario recurrir a simplificaciones prcticas.

Dado que la estimacin de dao producido por las diversas cargas por eje es muy complejo, y que la nica fuente confiable de informacin para afrontar este problema es el "AASHO ROAD TEST", de cuyos resultados se derivaron una serie de factores de equivalencia, de los cuales la Figura 2.2 muestra los adoptados por ellNV, la carga tomada como patrn es un eje sencillo de 8.2 toneladas, cuya eleccin se hizo por dos motivos principales:

a) Porque el valor de esta carga era similar a la de 8.0 toneladas propuesta en la convencin de Gnova en 1 949 Y

b) Porque dicha carga por eje fue normalizada como carga para diseo de pavimentos flexibles, por muchos pases y entidades.

2.5 DETERMINACIN DEL TRNSITO EXISTENTE La informacin necesaria para cuantificar el trnsito existente de una va se debe recolectar con base en los procedimientos de la Ingeniera de Trnsito. La informacin que se requiere es la siguiente:

a) El trnsito promedio diario semanal (TPDS) b) Nmero, tipo y peso de los ejes de los vehculos pesados.


A

B

y

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AlJTOMOVIL

CAMPERO

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I MICROBlJS

BlJSETA

BUS

BUS METROPOLlTIINO

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CAMiN C3

CAM ION C4

TRACTO - CAMiN Cz - S2

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Figura 2.1 - Conteos manuales de trnsito.

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22 - ING. ALFONSO MONTElO FONSECA

El TPD se halla efectuando un conteo, durante una semana, de todos los vehculos que pasan por la carretera objeto del estudio. Teniendo en cuenta que el trnsito en general presenta variaciones mensuales y estacionales, es necesario hacer una cuidadosa eleccin de la semana de aforo. EIINV efecta los conteos de trnsito preferencial mente en poca de verano.

El trnsito total registrado se divide por los siete das del conteo obtenindose el TPDS, el cual debe discriminarse en vehculos livianos y comerciales. Estos ltimos son los que realmente se tienen en cuenta para el diseo de un pavimento. La Figura 2.3 muestra un esquema modelo de presentacin de los volmenes de trnsito preparado por la Oficina de Programacin delINV. En cada tramo de carretera estudiado se indica en un crculo el nmero de la estacin de conteo y una lnea horizontal sobre la cual se encuentra relacio-nado el trnsito promedio diario semanal (TPDS). Bajo dicha lnea se encuen-tran relacionados los porcentajes de automviles, buses y camiones respectivamente.

A manera de ejemplo se presenta a continuacin el clculo de los volmenes de automviles, buses y camiones correspondientes al sector de conteo Yopal-Aguazul (Ver Figura 2.4).

Automviles: 1152 x 0.59 = 679.68 = 680 Buses: Camiones:

1152 x 0.04 = 46.08 = 46 1152 x 0.37 = 426.24 = 426

La determinacin del nmero, tipo y peso de los vehculos comerciales se hace en nuestro medio por medida directa, utilizando bsculas para el pesaje de los ejes de todos los vehculos clasificados como comerciales, registrando en cada caso la clase de vehculo y el tipo de eje pesado, ya sea simple, tndem o tridem.

En la determinacin del trnsito existente probable de una va nueva, es evidente que no puede cuantificarse por medio de conteos directos, razn por la que es necesario recurrir a alguno de los siguientes procedimientos:

Realizar un estudio de origen y destino entre los dos sitios que sern unidos por la nueva va.

Adoptar los datos de trnsito de otra va situada en una zona de caracters-ticas similares; o

Utilizar los datos de trnsito de otra va alterna a la que se desea construir.

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2.6


SUPUTACIN DEL TRNSITO DURANTE EL PERODO DE DISEO

Un pavimento debe ser diseado para soportar el trnsito inicial y aquel que pase durante su vida de servicio. Sin embargo, es necesario reconocer que no es fcil calcular tales cargas, por cuanto en el trnsito futuro intervienen factores muy complejos, dado que es muy difcil predecir los cambios en la economa regional general, en la poblacin y en el uso de la tierra a lo largo de la va durante el perodo de diseo. Pero, el volumen de trnsito futuro de una va nacional en servicio, que se encuentre en afirmado, puede ser estimado con razonable exactitud a partir de datos sobre el trnsito existente y mediante un anlisis estadstico de su evolucin histrica. El estimativo en mencin requiere del conocimiento del valor de la tasa anual de crecimiento del trnsito, el cual es indispensable para efectuar proyecciones a mediano y largo plazo, necesarias para los estudios de pavimento, tanto en la etapa de diseo como de funcionamiento. Para el clculo de dicho parmetro es necesario contar con una serie cronolgica de datos como la que presenta anualmente la Oficina de Programacin de Carreteras del INV en su publica-cin denominada Volmenes de trnsito. A partir de dichos datos y mediante la aplicacin de modelos de regresin es posible ajustar las series histricas del trnsito con el uso de los modelos lineal y exponencial, pues son los que ms se ajustan a estas series histricas. Eligiendo para el anlisis el modelo que presente la mejor correlacin de los valores de trnsito. El trnsito inicial de vehculos comerciales utilizado para el diseo de un pavimento ser la suma de: el normalmente existente, el atrado y el generado. Adems, es conveniente tener en cuenta que para efectos del dimensiona-miento de un pavimento interesa solamente el trnsito que pasa por un carril, al que se denomina carril de diseo, que es aquel por el cual se espera que circulen el mayor volumen de vehculos pesados, y para su determinacin deben utilizarse los siguientes valores:

Nmero Porcentaje. de vehculos de pesados en el carril

Carriles de diseo

2 50

4 45

6+ 40


El trnsito as obtenido habr de proyectarse hacia el futuro una vez estable-cido el perodo de diseo y determinada la tasa anual de crecimiento del trnsito.

Tradicionalmente en Colombia las proyecciones del trnsito se han efectuado utilizando el modelo exponencial expresado mediante la siguiente frmula de inters:

Tn = Ti x (1 + r)n donde:

Tn Ti

Trnsito en cualquier ao n. Trnsito en el ao cero (inicial). Tasa de crecimiento anual del trnsito.

(2.1 )

A partir de la expresin 2.1 es posible por integracin obtener el trnsito acumulado durante los n aos del perodo de diseo, mediante la siguiente ecuacin:

(1+rf-1 T acumulado = Ti x -'----'--Ln(1 + r)

Ejemplo

(2.2)

El trnsito promedio diario de vehculos comerciales de la carretera La Uribe-La Paila durante los aos 1980-1985 aparece en la Tabla 2.1

a) Hallar las ecuaciones de los modelos lineal y exponencial que se ajusten a los datos del trnsito.

b) Estimar el trnsito promedio con los valores reales de 3218 y 3497 vehculos comerciales, respectivamente.

c) Determinar la curva de aproximacin que mejor se ajuste a los datos de trnsito.

d) Hallar el valor de la tasa anual de crecimiento del trnsito.

Tabla 2.1

Aos 1980 1981 1982 1983 1984 1985

TPD (V.c.) 2322 2327 2368 2472 2682 2789


e) Calcular con la ecuaClon de ajuste elegida, el trnsito de vehculos comerciales para el primer ao de servicio del pavimento, que se estima sea 1991.

f) Calcular el trnsito acumulado de vehculos comerciales en el carril de diseo para un perodo de diseo de 10 aos, contados a partir del primer ao de servicio del pavimento. La va es de dos (2) carriles de trnsito.

Solucin

a) Determinacin de la ecuacin de aproximacin que mejor ajuste los datos del trnsito.

La recta de ajuste de los datos tiene la ecuacin: y = a + bx (2.3) donde las constantes a y b se determinan mediante las siguientes ecua-ciones:

a =

b

eL. Y) (LX2) - (LX) (LXY) NLX2 - (LX)2

NLXY - (LX) (LXY) NIX2 - (LX)2

El trabajo puede ordenarse como se presenta en la Tabla 2.2.

Tabla 2.2

Ao X X2 y y2 11 - -. 11

1980 O O 2.322 5'391.684 O

1981 1 1 2.327 5'414.929 2.327

1982 2 4 I 2.368 5'607.424 4.736

1983 3 9 2.472 6'110.784 7.416

1984 4 16 2.682 7'193.124 10.728 I

1985 5 25 2.789 7'778.521 13.945 I

Sumatorias 15 55 14.960 37'496.466 39.152


A partir de los datos obtenidos en la Tabla No. 2.2 se tiene:

a =

b

(14960) (55) - (15) (39152) (6) (55) - (225)

(6) (39152) - (15) (14960) (6) (55) - (225)

Entonces Y = 2243 + 100x

2243

100

La ecuacin exponencial tiene la frmula:

y = abx (2.4) Teniendo en cuenta que la ecuaClon (2.4) es no lineal es necesario reducirla a la forma lineal para facilitar su clculo de la forma siguiente:

Aplicando logaritmos a la expresin Y = ab', se tiene:

Log Y = Log a + (Log b)x, esta ecuacin se puede escribir Y' = a' + b'X, donde Y' = Log Y, a' = Log a, y, b' = Log b.

En la Tabla No. 2.3 se presenta los clculos correspondientes:

Tabla 2.3

Ao Y y' X X2 (Log y) 1980 2.322 3.366 O O

1981 2.327 3.367 1 1

1982 2.368 3.374 2 4

1983 2.472 3.393 3 9

1984 2.682 3.428 4 16

1985 2.789 3.445 5 25

Sumatoria 14.960 20.373 15 55

A partir de los datos de la tabla anterior se tiene:

a' = (20.373) (55) - (15) (51.231) = 3.353

(6) (55) - (255)

XLgY

O

3.367

6.748

10.179

13.712

17.225

51.231

y,2

11.330

11.337

11.384

11 .512

11.751

11.868

69.182


Como: a' = Log a = 3.353, entonces, a = 2.254

b' (6) (51.231) - (15) (20.373) (6) (55) - (225) 0.017

de igual forma b' = Log b = 0.017, por tanto, b = 1.04.

Entonces la ecuacin exponencial ser:

Y = (2.254) (1.04)X b) Mediante las ecuaciones de tendencia se obtienen los siguientes prons-

ticos del trnsito para 1988 y 1989.

Ecuacin Lineal: Ecuacin Exponencial:

Ecuacin Lineal: Ecuacin Exponencial:

TPDv.c.( 1988) = 3043 TPDv.c.(1988) = 3085

TPDv.c.( 1989) = 3143 TPDv.c.(1989) = 3208

Los resultados anteriores permiten concluir que los pronsticos del trn-sito promedio diario de vehculos comerciales, calculados con la ecuacin exponencial para los aos 1988 y 1989, son ms prximos a los valores reales que los encontrados con la ecuacin lineal, aunque para los efectos de diseo de pavimentos esta ligera variacin entre modelos realmente no tiene un apreciable significado.

c) Para la determinacin de la curva de aproximacin que mejor ajuste los datos se debe proceder a calcular el coeficiente de correlacin de las dos curvas de ajuste en estudio y escoger aquella que presente una mejor correlacin, es decir, la que resulte con el coeficiente ms prximo a la unidad. La ecuacin que permite calcular el coeficiente de correlacin es la siguiente:

r = N"LXY - ("LX) ("LY)

Ecuacin Lineal:

r = (6)(39152) - (15)(14.960) ~[(6)(55) - (225)].[(6)(37496466) - (223801600)]


r = 0.95

Ecuacin Exponencial:

r = (6)(51.231) - (15)(20.3 73)

J[(6)(55) - (225)].[(6)(69.182) - (415.06)]

r = 0.98

De acuerdo con los resultados obtenidos, se tiene que la ecuacin exponencial es la que mejor ajusta los datos del trnsito.

d) Teniendo en cuenta que la ecuacin de ajuste y = (2254)(1.04)X es, en esencia, la misma expresin (2.4), se tiene que: (1 +r) = 1.04, entonces, r (tasa anual de crecimiento de trnsito) = 4%.

e) El trnsito para el primer ao de servicio del pavimento ser: y = (2254)(1.04)11 = 3469 vehculos comerciales

f) Para determinar el trnsito acumulado de vehculos comerciales en el carril de diseo, durante el perodo de diseo se debe proceder de la forma siguiente:

Calcular el trnsito promedio diario de vehculos comerciales en el carril de diseo para el primer ao de servicio del pavimento, as: 3609x 50/100 = 1805.

El trnsito de vehculos comerciales de todo el ao inicial de servicio del pavimento ser:

1805 x 365 = 658.625

Finalmente, para el clculo del trnsito acumulado de vehculos comer-ciales en el carril de diseo y durante los 10 aos del perodo de diseo, es necesario integrar la ecuacin bsica:

y = f (658.825)(1.04)xdx entre los lmites x = o a x = 10. Obtenindose que:

y = 658825 [(1.04)10 - 1] = 10'703.984 Ln(1.04)


2.7 CARGAS EQUIVALENTES PARA EL DISEO DE PA VIMENTOS

Con el objeto de evaluar el efecto, en un pavimento flexible, de las cargas diferentes a la estndar de 8.2 toneladas, equivalente a una tndem de 14.5 toneladas, se han determinado factores de equivalencia de carga por eje, que se han obtenido a partir de los resultados del AASHTO ROAD TEST. Los resultados obtenidos en el camino de prueba de la AASHTO, han permitido determinar que la equivalencia entre cargas diferentes transmitidas al pavi-mento por el mismo sistema de ruedas y ejes, se expresa como:

Factor de equivalencia de carga __ (RP01)4 (2.5)

donde Po = carga estndar P1 = carga cuya equivalencia con la estndar se desea calcular.

Ejemplo: Calcular el factor de equivalencia de una carga por eje simple de 15 toneladas con relacin a la estndar de 8.2 toneladas.

Solucin

Factor de Equivalencia de carga = (.lil)4 = 11 8.2 T 2.8 DETERMINACIN DEL FACTOR CAMIN Se entiende por factor camin al nmero de aplicaciones de ejes sencillos con carga equivalente de 8.2 toneladas, correspondientes al paso de un vehculo comercial (bus o camin). En nuestro medio son utilizadas tres metodologas para la obtencin del factor camin: por conteo y pesaje de los vehculos comerciales, por el mtodo MOPT - INGEROUTE y por el propuesto por la Universidad del Cauca.

Si bien el pesaje constituye el medio ms preciso para determinar las carac-tersticas de equivalencia del trnsito real con respecto a ejes sencillos de 8.2 toneladas, lo costoso que resultan estos estudios impide efectuarlos para todos los diseos de pavimento que se deban acometer. Por tanto, cuando se deba efectuar un diseo para un tramo de va en el cual no se tengan datos sobre el pesaje quedan dos alternativas:


1) Tomar el valor correspondiente a una va cerrada del cual se posea dicha informacin, si se considera que las caractersticas del trnsito en los dos tramos es similar.

2) Estimar el factor camin a travs de algn otro procedimiento de tipo emprico.

2.8.1 Determinacin del factor camin por el mtodo de conteo y pesaje

Para la determinacin del factor camin por este mtodo resulta conveniente elaborar una tabla como la No. 2.4, la cual ha sido tomada de un estudio real del Ministerio de Obras Pblicas y Transporte.

El mtodo consiste, bsicamente, en pesar durante un perodo definido, todos los ejes de los vehculos comerciales que pasan por un determinado punto de una carretera, agrupndolos luego de acuerdo con su carga por eje en toneladas en la columna de la izquierda de la tabla en mencin y al nmero y distribucin de sus ejes indicado en las columnas (1) y (7). La sumatoria de los valores de la columna 1 es de 6750 ejes simples pesados, que corresponden a un total de 3375 camiones, de acuerdo con la configu-racin de sus ejes, as mismo, la 2 presenta un total de 1852 ejes simples pesados que corresponden a 926 buses. Los valores de la 3 resultan de sumar las columnas 1 y 2, igualmente la 8 y 9 representan las sumas en ellas indicadas.

Con el objeto de evitar molestias a los usuarios, causadas por las demoras en el pesaje de los ejes de los buses, aquellos son nicamente contados y distribuidos posteriormente de acuerdo con los porcentajes que se presentan en la parte inferior izquierda de la tabla, estos valores han sido obtenidos con base en la experiencia del pas.

El ltimo valor de la columna 8 corresponde al nmero total de camiones pesados durante el estudio y en el ltimo rengln de la 9 aparece el total de buses y camiones contados y pesados.

La columna lOse obtiene dividiendo cada uno de los valores de la columna 8 por el total de camiones pesados (3581) Y multiplicando por 1000, de igual forma la columna 11 resulta de dividir cada uno de los valores de la 9 entre el ltimo valor de la misma columna (4507) y multiplicando por 1000. Los valores de la columna 12 corresponden a los factores de equivalencia de carga por eje determinados por el AASHTO ROAD TEST.

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Las columnas 13 y 14 resultan de multiplicar cada uno de los valores de las columnas 10 Y 11 por el respectivo factor de equivalencia de carga, por eje. Finalmente, la sumatoria de todos los valores de la columna 14 dividida por 1000, da como resultado el factor camin que, para este ejemplo result ser de 2.37.

2.8.2 Determinacin del factor camin por los mtodos Mopt-Ingeroute y la Universidad del Cauca

Los factores de equivalencia promedio utilizados ms frecuentemente en Colombia son los obtenidos por el MOPT-INGEROUTE y la Universidad del Cauca, tales valores se presentan a continuacin en la Tabla 2.5.

A partir de estos valores se puede estimar el factor camin, para cualquier tramo de la red nacional de carreteras, teniendo en cuenta que durante los conteos manuales que anualmente realiza ellNV, se hace una discriminacin de la manera como est compuesto el trnsito de camiones.

Tabla 2.5

Tipo de Factores de equivalencia

Universidad del vehculo Mopt-Ingeroute Cauca (1996,) C-2 pequeo 1.14

1.4 (prom.) C-2 grande 3.44

C-3 2.4 3.76 C2 - 51 3.37

C4 3.67 6.73 I

I C3 - 51 2.22 C2- 52 3.42 I C3 - 52 4.67 4.40 C3- 53 5.0 4.72

Bus P-600 0.40 0.2 (prom.)

Bus P900 1.0 Buseta 0.05


Ejemplo: Determinar el factor camin de un tramo de carretera cuyo TPDS es de 1368 vehculos de los cuales el 78% son automviles, el 4% son buses y el 18% son camiones, el trnsito de camiones est distribuido as: C-2=25%, C-3=21 %, C-4=30%, C-5=15% y mayores de C-5=9%. Utilizar los factores de equivalencia propuestos por el MOPT-Ingeroute.

Solucin:

1. Se determina el factor camin (FC) de los camiones

FC (camiones) = 25 x 1.4 + 21 x 2.4 + 30 x 3.67 + 15 x 4.67 + 9 x 5 25 + 21 + 30 + 15 + 9

FC (camiones) = 1.96 2. Teniendo en cuenta que el factor bus es de 0.2, entonces el factor camin

de buses y camiones ser:

FC 4 x 0.2 + 18 x 1. 96 4+18

1.64

2.9 DETERMINACIN DEL NMERO DE EJES EQUIVALENTES DE 8.2 TONELADAS EN EL CARRIL DE DISEO Y DURANTE EL PERODO DE DISEO (N)

Una vez determinado el nmero acumulado de vehculos que transitarn en el carril de diseo y durante el perodo de diseo, es posible convertir esta cantidad de vehculos comerciales a ejes simples equivalentes de 8.2 tonela-das mediante el factor camin:

N TPD x A 100

B (1+rf-l x - x 365 x x F.C.

100 Ln(1+r)

TPD = Trnsito promedio diario inicial. A Porcentaje estimado de vehculos pesados (buses y camiones).

(2.6)

B Porcentaje de vehculos pesados que emplean el carril de diseo. Rata anual de crecimiento del trnsito.


n Perodo de diseo. F.C. Factor camin.

Ejercicios 2.1 Cul es el factor de equivalencia de una carga por eje tndem de 35

toneladas con relacin a una de 14.5 toneladas de iguales caractersticas.

Rta. 33.9

2.2 Determinar el factor camin de una va cuyo TPDS es de 2500 vehculos de los cuales el 50% son automviles, el 30% son buses y el 20% son camiones. La distribucin de camiones es: C-3=80% y C-4=20%. Utilizar los factores de equivalencia de carga propuestos por la Universidad del Cauca.

Rta.2.16

2.3 Determinar el factor camin de una va en la que se tiene las siguientes caractersticas de carga:

Carga por eje ;imple No. de ejes por cada 1000 (t) camiones y buses

< 6.99 9.36 7- 7.99 10.48 8 - 8.99 17.92 9 - 9.99 10.92

10 - 10.99 17.63

Rta. 9.045 x 10-3

2.4 Para el estudio del trnsito de un sector de carretera se disponen de los siguientes datos histricos:

Ao TPD (Vehculos comerciales) 1981 260

1982 283 I 1983 290

1984 295

1985 300


Determinar:

a) La ecuacin efe la mejor curva de ajuste. b) La rata promedio anual de crecimiento del trnsito. c) El trnsito para el primer ao de servicio del pavimento que se considera

sea 1991.

d) El nmero acumulado de ejes equivalentes de 8.2 toneladas en el carril de diseo y para un perodo de diseo de 10 aos. Asumir un factor camin de 1.5.

Rta. a) Y Rta. b) r Rta. c) y Rta. d) N

= (267.1 )(1.03)X = 3% = 359 = 2.25 x 106 ejes equivalentes de 8.2 ton.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS 1. INGEROUTE - G.A.M., Clases de Trnsito, Febrero 1982.

2. MOPT, Gua para el diseo estructural de pavimentos flexibles en Colombia.

3. MURRA y R. SPIEGEL, ESTADSTICA. Curva de ajuste y mtodo de mnimos cuadrados, 1984.

CAPTULO 3 ESTUDIO DE lOS SUELOS PARA DISEO DE PAVIMENTOS

3. 1 DEFINICIN DE SUELO Y ROCA

En la Ingeniera de pavimentos se considera como roca a un agregado natural de granos minerales, unidos por grandes y permanentes fuerzas de cohesin. Por otra parte, se considera que suelo es una agregado natural de granos minerales, con o sin componentes orgnicos, que pueden separarse por medios mecnicos comunes, tales como la agitacin en agua. Aunque estas definiciones son las que se utilizarn en este texto, es conveniente aclarar que en la prctica no existe una diferencia tan simple entre roca y suelo, pues, las rocas ms rgidas y fuertes pueden debilitarse al sufrir el proceso de meteorizacin, y algunos suelos muy endurecidos pueden presentar resisten-cias comparables a las de la roca meteorizada.

3.2 ORIGEN y FORMACIN DE LOS SUELOS

Los suelos provienen de la alteracin de las rocas por la accin de los fenmenos atmosfricos durante un tiempo apreciable. El proceso de altera-cin, denominado meteorizacin, se realiza por desintegracin o descompo-sicin de las rocas.

40 - ING. ALFONSO MONTEIO FONSECA

La desintegracin es un proceso mecnico que divide las rocas en partculas pequeas que conservan las propiedades fsicas y qumicas de la roca madre.

La descomposicin es aquel proceso por el cual la roca se transforma en un producto de diferentes propiedades fsicas y qumicas.

Los causantes de la meteorizacin de las rocas se llaman agentes de meteo-rizacin o intemperismo. Son fsicos, qumicos y biolgicos. Los primeros producen desintegracin y los otros descomposicin.

Los principales agentes fsicos de meteorizacin son: agua, glaciares, viento y temperatura.

El agua arrastra las rocas y las desintegra produciendo suelos por lo general gruesos tales como las gravas y las arenas; tambin, el agua al introducirse en las grietas de las rocas y llenadas totalmente puede producir el efecto de cua causando grandes presiones que pueden disgregarlas en partculas gruesas o dar origen a oquedades y formas irregulares en las rocas.

Los glaciares son movimientos de grandes masas de hielo con velocidades muy pequeas del orden de metros por aos produciendo un efecto abrasivo en las partculas transportadas.

Un suelo producto de este efecto es el llamado polvo o harina de roca que se encuentra en grandes cantidades en la base de los glaciares.

El viento tiene un efecto de erosin que desgasta las rocas.

El calor produce el fenmeno de exfoliacin por el cual las rocas sufren un descascaramiento que las hace adoptar formas redondeadas.

Los principales agentes qumicos que producen meteorizacin son: hidrata-cin, carbonatacin, oxidacin y solucin. Estos agentes producen fundamen-talmente suelos finos y son los causantes de la formacin de casi todas las arcillas. Entre estas se distinguen las caolinitas, las ilitas y montmorillonitas.

Los agentes biolgicos ms importantes son: vegetales y micro-organismos.

Los microorganismos son los causantes de la formacin de suelos orgnicos que normalmente constituyen la capa superficial de la corteza terrestre. Los vegetales al descomponerse dan origen a una clase especial de suelo deno-minado turba cuya principal caracterstica es su comportamiento elstico.

Todos los suelos resultantes de la accin de los agentes anteriormente mencionados se pueden agrupar en dos tipos: suelos residuales y suelos transportados.


Los suelos residuales son aquellos formados en el mismo SitiO donde se encuentra actualmente o sea que prcticamente se hallan ubicados junto a la roca madre que [os ha originado. Un suelo es transportado cuando agentes fsicos han trasladado sus partculas y depositado en e[ sitio donde actualmen-te se encuentran. Un caso especial [o constituyen [os rellenos, que son depsitos de suelo hechos por e[ hombre. Es importante tener en cuenta que e[ acomodo de las partculas que consti-tuyen los suelos y ciertas propiedades internas son completamente diferentes en un suelo residual que en un suelo transportado. En e[ primero se encuentran los productos de la desintegracin o descomposicin, conservando, aunque sea lejanamente, la estructura de [a roca madre. En un suelo transportado las partculas estn dispuestas dependiendo fundamentalmente de la forma como se produjo [a depositacin sin relacin ninguna en el acomodo que tenan en la roca original.

La mecnica de suelos por su desarrollo histrico se ha enfocado en gran parte a [os suelos transportados y aunque muchas teoras y ensayos de laboratorio, se aplican en la actualidad indistintamente, fueron elaborados para ese tipo de suelos. Es importante, saber que esto sucede a fin de tomarlo en cuenta en [a aplicacin prctica de esta ciencia y si es el caso proponer modificacio-nes en teora o equipos de pruebas.

3.3 CARACTERSTICAS DE LOS SUELOS RESIDUALES Ciertas propiedades de [os suelos residuales deben ser suficientemente conocidas por el ingeniero de suelos ya que ellas influyen en el compor-tamiento de las obras de tierra tales como taludes y terraplenes.

Una caracterstica importante es el llamado perfil de meteorizacin que es una secuencia de capas de materiales con diferentes propiedades que se encuentran encima o en lugar prximo a la roca que les di origen. Varan de un lugar a otro dependiendo de una serie de factores tales como el tipo, edad y estructura de la roca madre, la topografa, la vegetacin, el drenaje, la actividad bacterial y el clima, especialmente en cuanto a temperatura y rgimen de lluvias.

El perfil de meteorizacin se ha formado por desintegracin y descomposicin de la roca. Dependiendo de su grado de alteracin generalmente se distin-guen tres capas u horizontes sobre la roca sana.

Horizonte A o capa superior: Es aquella donde la alteracin es mayor y ha habido alguna remocin de sus productos. Normalmente en esta zona se encuentra una capa delgada de descomposicin orgnica.

42 - ING. ALFONSO MaNTElO FONSECA

Horizonte B o capa intermedia: Es una zona de acumulacin de los productos de alteracin de la zona superior.

Horizonte e o capa de transicin: Es una capa parcialmente meteorizada que sirve de transicin entre el suelo y la roca sana.

3.4 CARACTERSTICAS DE LOS SUELOS TRANSPORTADOS Estos suelos han sufrido un proceso de formacin tal como los suelos residuales y luego han sido trasladados y depositados en el lugar donde actualmente se encuentran.

El traslado de sedimentos lo realizan los llamados agentes transportadores, tales como el agua, el hielo, el viento, la gravedad y ciertos organismos. Dependiendo del tipo de agente las partculas son afectadas especialmente en cuanto a su tamao, forma y textura tal como se indica en la Tabla 3.1

Tabla 3.1 Caractersticas de los suelos transportados

Caractersticas Agente

Agua Aire Hielo Gravedad

Disminucin por solucin, poca Considerable

Tamao abrasin en carga Considerable molienda e Considerable suspendida, alguna reduccin. impacto. abrasin e impacto en impacto.

carga arrastrada.

Redondeo de arenas y Alto grado de Angular Angular no I Forma pulimento de gravas. redondeo. esfrico. caras.

Arena lisa pulida Superficies Superficies Superficies Textura deslustradas por brillante. estriadas. estriadas. impacto. rl

El depsito de los sedimentos vara con al agente transportador y con el medio en el cual son depositados.

El agua produce depsitos aluviales, lacustres y marinos.

Los depsitos aluviales se encuentran en los lechos de los ros y estn constituidos por suelos gruesos generalmente. En las zonas aledaas en


ocasiones inundadas por desbordamiento del ro se encuentra gran variedad de suelos arcillosos y limosos.

Los depsitos lacustres se presentan en los lagos donde desembocan corrien-tes de agua. En las entradas se depositan las partculas gruesas que arrastran el agua durante la poca de creciente y las partculas finas se asientan en aguas ms profundas formando estratos horizontales alternados cuya estructura depende de la composicin electro-qumica del agua.

Los depsitos marinos son diferentes ya sean de playa o altamar. En la playa predominan partculas granulares mientras que en altamar predominan las de tamao coloidal, depositadas especialmente por floculacin debido a la salinidad del agua.

El viento propicia la formacin de los llamados depsitos elicos entre los cuales estn las dunas y los loess.

Las dunas son depsitos de arena cuyas partculas han sido transportadas por el viento arrastrndolas o levantndolas ligeramente habiendo sido, por tanto, sometidas a un desgaste muy intenso.

Los loess son depsitos de arenas finas y limos que han sido transportadas por el viento grandes distancias. En general son depsitos de mucha dureza por la cimentacin de carbonatos y xidos de hierro. Como caractersticas generales de los loess se tienen: alta porosidad en la direccin vertical, taludes estables segn la cimentacin de sus partculas y uniformidad en sus componentes.

Los depsitos glaciares se presentan en zonas donde ha habido actividad glaciar y tienen como caracterstica principal la heterogeneidad del tamao de las partculas variando desde fragmentos de roca de varios metros de dimensin hasta polvo de dcima de milmetro.

La gravedad produce los llamados depsitos de talud, cuya caracterstica principal es la heterogeneidad en el tamao de sus partculas.

3.5 CLASIFICACIN DE LOS SUELOS Teniendo en cuenta que en la naturaleza existe una gran variedad de suelos, la ingeniera de suelos ha desarrollado algunos mtodos de clasificacin de los mismos. Cada uno de estos mtodos tiene, prcticamente, su campo de aplicacin segn la necesidad y uso que los haya fundamentado.

En la actualidad los sistemas ms utilizados para la clasificacin de los suelos, en estudios para diseo de pavimentos de carreteras y aeropistas son el de la


American Association of State Highway and Transportation Officials (AASH-TO) yel Unified Soil C1asification System, conocido como Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos (S.U.CS.).

3.5.1 Clasificacin de suelos AASHTO

De acuerdo con este sistema y con base en su comportamiento, los suelos estn clasificados en ocho grupos designados por los smbolos del A-l al A-B.

En este sistema de clasificacin los suelos inorgnicos se clasifican en 7 grupos que van del A-l al A-7. Estos a su vez se dividen en un total de 12 subgrupos. Los suelos con elevada proporcin de materia orgnica se clasifican como A-B.

Descripcin de los grupos de clasificacin

a) Suelos granulares: Son aquellos que tienen 35% o menos, del material fino que pasa el tamiz No. 200. Estos suelos forman los grupos A-l, A-2 Y A-3.

Grupo A-1: El material de este grupo comprende las mezclas bien graduadas, compuestas de fragmentos de piedra, grava, arena y material ligante poco plstico. Se incluyen tambin en este grupo mezclas bien graduadas que no tienen material ligan te.

Subgrupo A-la: Comprende aquellos materiales formados predominan-temente por piedra o grava, con o sin material ligante bien graduado.

Subgrupo A-lb: Incluye aquellos materiales formados predominantemen-te por arena gruesa bien gradada, con o sin ligante.

Grupo A-2: Comprende una gran variedad de material granular que contiene menos del 35% del material fino.

Subgrupos A-2-4 Y A-2-5: Pertenecen a estos Subgrupos aquellos materia-les cuyo contenido de material fino es igualo menor del 35% y cuya fraccin que pasa el tamiz nmero 40 tiene las mismas caractersticas de los suelos A-4 y A-S, respectivamente.

Estos grupos incluyen aquellos suelos gravosos y arenosos (arena gruesa), que tengan un contenido de limo, o ndices de Grupo, en exceso a los indicados por el grupo A-l. As mismo, incluyen aquellas arenas finas con un contenido de limo no plstico en exceso al indicado para el grupo A-3.

Subgrupos A-2-6 y 1-2-7: Los materiales de estos subgrupos son semejan-tes a los anteriores, pero la fraccin que pasa el tamiz nmero 40 tiene las mismas caractersticas de los suelos A-6 y A-7, respectivamente.

f ,

t , ~ t ~ ti

~ J

~ l' ,

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b)


Grupo A-3: En este grupo se encuentran incluidas las arenas finas, de playa y aquellas con poca cantidad de limo que no tengan plasticidad. Este grupo incluye, adems, las arenas de ro que contengan poca grava y arena gruesa.

Suelos finos limo arcillosos: Contienen ms de135% del material fino que pasa el tamiz nmero 200. Estos suelos constituyen los

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