DISEÑO DE PAVIMENTOS

FLEXIBLES

Ing. Eleazar Colina Morales

ecolina@ucla.edu.ve

Pavimentos

La superestructura de una vía, construida sobre la subrasante, y compuesta normalmente por la sub-base, la base y la capa de rodamiento, cuya función principal es soportar las cargas rodantes y transmitir los esfuerzos al terreno, distribuyéndolos en tal forma que no se produzcan deformaciones perjudiciales, así como proveer una superficie lisa y resistente para los efectos del tránsito.

TIPOS DE PAVIMENTOS

PAVIMENTOS RIGIDOS.

PAVIMENTOS FLEXIBLES

Consideraciones Mecánicas de Pavimentos Flexibles

Un pavimento está compuesto por un sistema Multicapas.

Los materiales en cada capa son homogéneos.

Cada capa tiene espesor finito, excepto la subrasante. Todas las capas, sin embargo son infinitas en la dirección lateral.

El material que conforma cada capa es isotrópico.

Se desarrolla la completa fricción entre las capas a nivel de las diferentes interfaces.

No ocurren esfuerzos cortantes en la capa de rodamiento.

Los esfuerzos para cualquier material se definen mediante dos propiedades:

La relación de Poisson (μ).

Módulo de Elasticidad (E)

Consideraciones Mecánicas de Pavimentos Flexibles

Factores que influyen en el diseño de un Pavimento

Está conformado por dos grandes categorías: Conocimiento de las características de los

materiales y mezclas que serán empleadas en el pavimento.

Determinación de los espesores de capas.

Los espesores se determinan considerando:

1. Tráfico

2. Condiciones Ambientales

3. Suelo de fundación

Factores que influyen en el diseño de un Pavimento

4. Materiales a ser empleados en la estructura del pavimento

a. Tipo de rodamiento

b. Tipo de basec. Tipo de subbase

5. Nivel de servicio

Factores que influyen en el diseño de un Pavimento

6. Costos

7. Método de diseño

Tipos de fallas en los pavimento

Falla Estructural Falla funcional1. Sobrecargas 2. Efectos de las

condiciones ambientales

3. Defectos en la construcción

4. Variabilidad propia de los materiales

Razones de falla de los Pavimentos

Mantenimiento inadecuado Mala construcción• Baja compactación• Resistencia inadecuada de

los materiales• Falta de control de calidad Capilaridad del suelo del

terraplén• Permite ascensión de agua

Razones de falla de los Pavimentos

Aguas Superficiales• Flujo en superficie y

taludes causa socavación Falta de espesor para

soportar las cargas y sus repeticiones. Aumento de tráfico y cargas

Grietas en la carpeta asfáltica por fatiga

• Penetración de agua superficial

Parámetros mínimos a considerar para el diseño de la Sub-Base y Base

Resistencia o Estabilidad Densidad Contenido de Humedad Textura y Estructura Grado de Confinamiento Disponibilidad Costo

Fuente de los Agregados para Sub-Base y Bases

Agregados Naturales

Agregados Procesados

Fuente de los Agregados para Sub-Base y Bases

Agregados Estabilizados

Agregados Artificiales o

Sintéticos

Con otro agregado Con cemento Con cal Con Asfalto Con aceite sulfonado

Aliven Escoria de acería Vidrio

Chequeo de intrusión de finos

La utilización de materiales granulares no tratados en la construcción de bases y subbases deben ser verificados en el sentido de chequear si se produce el fenómeno de intrusión, esto es, la migración de los finos de la subrasante hacia tales capas superiores.

Chequeo de intrusión de finos Existe un criterio que establece que cuando la

relación D15/D85>5 implica que se hace necesario tomar medidas preventivas para la intrusión.

D15 =tamaño de partícula, en la base o sub-base que cumple la condición de que el 15% del material es más fino que este tamaño.

D85 =tamaño de partícula, en el material de subrasante, que cumple la condición de que el 85% del material es más fino que este tamaño.

Medidas preventivas para disminuir el fenómeno de intrusión

Las medidas preventivas que pudieran considerarse son:

• Colocación de una membrana geotextil.• Colocación de una capa de

aproximadamente 10 cm. de espesor con un material adecuado.

Una u otra medida proporcionarían una barrera entre la subrasante y el material grueso que es susceptible a la intrusión.

CAPACIDAD DE SOPORTE SUBRASANTE

El CBR de un material es función de su densidad, textura, humedad de compactación, humedad después de la saturación, su grado de alteración y su granulometría.

100*patrón picada piedra la de unitaria Carga

ensayo bajo material del unitaria arg aCCBR

CAPACIDAD DE SOPORTE “CBR” SELECCIÓN DEL “CBR” EN LA SUB-

RASANTE. (Criterio del percentil de diseño). Se recomienda hacer un mínimo de 5 ensayos

por unidad de diseño. El CBR se determinará en base al número de

ensayos realizados y al número de cargas equivalentes totales (Repeticiones de Ejes Equivalentes REE), que se ha estimado que ocurran durante el período de diseño.

Suelo de Fundación

Rep. Ejes Equiv. “REE”

Percentil Diseño sub-rasante

Perc. Diseño Sub-rasante mejorada

<10 E +5 75 85

>10 E+5≤10 E+6

80 90

>10 E+6≤10 E+7

85 90

>10 E+7≤10 E+8

90 95

>10 E+8 95 95

EJEMPLO

Se tienen 10 resultados de ensayos de “CBR” de la subrasante de una unidad de diseño comprendida desde la progresiva 0 +100 hasta la progresiva 2 + 800.

Del estudio de Ingeniería de Tránsito se estimaron para el período de diseño 5.500.000 REE

Ensayo Nº

Progresiva CBR (%)

1 0 + 100 3,8

2 0 + 400 7,3

3 0 + 700 5,5

4 1 + 000 6,0

5 1 + 300 3,8

6 1 + 600 3,8

7 1 + 900 2,8

8 2 + 200 7,0

9 2 + 500 6,6

10 2 + 800 6,0

Se ordenan los resultados de menor a mayor y se calculan los porcentajes de muestras con CBR igual o mayor al valor considerado

Ensayo

Progresiva CBR (%) # Mues. con CBR≥

%Mues. conCBR ≥

7 1 + 900 2,8 10 100

1 1 + 100 3,8 9 90 5 1 + 300 3,8

6 1 + 600 3,8

3 0 + 700 5,5 6 60

4 1 + 000 6,0 5 50 10 2 + 800 6,0

9 2 + 500 6,6 3 30

8 2 + 200 7,0 2 20

2 0 + 400 7,3 1 10

Valor CBR- vs. -% Muestras con CBR ≥ al considerado

MODULO RELIENTE PARA SUBRASANTE

ECUACIONES DE CORRELACIÓN ENTRE MODULO RESILIENTE Y EL CBR.

241*4326%20

*000.3%20%2,7

*500.1%2,765,0

LnCBRMRCBR

CBRMRCBR

CBRMRCBR

Criterio AASHTO 93 para caracterizar la subrasante

Módulo Resilente Ponderar Mr Mr ponderado f (variación anual

del Mr) Factor daño relativo

Mr (PSI)32.28 *10*18.1 MrUf

Uf Mr

1 Mr Illinois

Criterio AASHTO 93 para caracterizar la subrasante

Procedimiento

1. Determinar Mr por mes.

2. Determinar Uf por mes.

3. Determinar promedio Uf .

4. Determinar Mr DIS f (Uf) .

Ejemplo Modulo Resiliente “MR”

psiMRdiseñoMRx

Uf

xUf

xUf

xUf

xUf

642.5*1018,12337,0

2337,012

2*248,03*519,02*203,05*069,0

248,0500.5*1018,1

519,04000*1018,1

203,06000*1018,1

069,0500.9*1018,1

32,28

32,28

32,28

32,28

32,28

UCLA – DIC

PAVIMENTOS

COMBINACION GRANULOMETRICA

Ing. Eleazar Colina Morles

COMBINACION GRANULOMETRICAExisten varios métodos que se utilizan

para combinar agregados de tal manera que cumplan con ciertas especificaciones y exigencias del cliente. Estos se encuentran enmarcados en forma general en dos grupos: Métodos Analíticos

Métodos Gráficos.También existe un método Gráfico-

Analítico y el Método del Criterio por Experiencia con la comprobación de alguno de los métodos anteriores.

MEZCLAS DE GRANULOMETRIA DENSA. COVENIN 2000-87

CEDAZO

PULG.

TIPO I

RODAMIENTO

TIPO II

RODAMIENTO

TIPO III

RODAMIENTO

TIPO IV

RODAM-INTER

TIPO V

INTERMEDIA

1 1/2 100

1 100 80 - 100

3/4 100 100 80 - 100 70 - 90

1/2 85 - 100 100 80 - 100

3/8 80 - 100 70 - 90 60 - 80 55 - 75

N° 4 65 - 80 50 - 75 50 - 70 48 - 65 45 - 62

N° 8 50 - 65 35 - 50 35 - 50 35 - 50 35 - 50

N° 30 25 - 40 18 - 29 18 - 29 19 - 30 19 - 30

N° 50 18 - 30 13 - 23 13 - 23 13 - 23 13 - 23

N° 100 10 - 20 8 -16 8 - 16 7 - 15 7 - 15

N° 200 3 - 10 4 - 10 4 - 10 2 - 8 2 - 8

MEZCLAS DE GRANULOMETRIA ABIERTA. COVENIN 2000-87

CEDAZO

PULG.

TIPO V I

RODAMIENTO

TIPO V II

RODAM-INTER

TIPO V I I I

BASE

TIPO I X

BASE

TIPO X

BASE

1 1/2 100

1 100 75 - 100

3/4 100 100 75 – 100 60 - 95

1/2 100 75 -100 75 – 100

3/8 75 - 100 60 - 85 60 - 85 45 - 70 40 – 65

N° 4 35 - 55 35 - 55 30 – 50 30 – 50 30 - 50

N° 8 20 - 35 20 – 35 20 - 35 20 - 35 20 – 35

N° 30 10 – 22 10 - 22 5 – 20 5 – 20 5 – 20

N° 50 6 – 16 6 – 16 3 - 12 3 - 12 3 – 12

N° 100 4 – 12 4 -12 2 - 8 2 - 8 2 - 8

N° 200 2 - 8 2 - 8 0 - 6 0 - 6 0 - 6

PRINCIPIOS BASICOS Independientemente del número de agregados y

del método de proporcionarlos, las siguientes ecuaciones rigen la combinación:

P = aA + bB + cC + ........ + nN a + b + c + ........ + n = 1,00 (100%) P = Porcentaje de un material que pasa un tamiz

dado resultante de la combinación de los agregados A, B, C, ...N

A,B,C,...,N = Porcentaje de material que pasa un tamiz dado, para cada uno de los agregados empleados en la combinación.

a,b,c,...,n = Proporciones expresadas en forma decimal, resultantes de la combinación para cada uno de los materiales empleados y cuya suma es igual a 1,00.

Los valores de “P” y de “A,B,C,...,N” pueden estar referido tambiem al porcentaje total que es retenido en un tamiz determinado, o al porcentaje que pasa ese tamiz y es retenido en el siguiente.

METODO GRAFICO Este Método es práctico utilizarlo cuando se

quiere combinar 2 materiales. A medida que se incremente el número de materiales, el Método es mas complejo y es preferible utilizar el Método analítico o el Método Combinado.

Se tiene el siguiente ejemplo: Se desea satisfacer las especificaciones de una

Mezcla COVENIN Tipo III, para lo cual se tienen 2 materiales: Material “A” piedra picada; Material “B” una arena de rio.

La granulometría de los agregados y la especificación correspondiente se muestra en la siguiente tabla:

Porcentajes pasantes de los materiales “A” y “B”Especificaciones de la mezcla COVENIN Tipo III

PORCENTAJES PASANTES

TAMIZ 19mm

3/4”

12,5

1/2”

9,5

3/8”

4,75

N° 4

2,16

N° 8

600µm

N° 30

300

N° 50

150

N°100

75 µm

N°200

ESP. 100 80

100

70

90

50

70

35

50

18

29

13

23

8

16

4

10

M ”A” 100 90 59 16 3,2 1,1 0 0 0

M”B” 100 100 100 96 82 51 36 21 9,2

COMBINACION DE 2 MATERIALES

COMBINACION DE 2 MATERIALES

Toda combinación que se haga con proporciones dentro del rango de las 2 líneas centrales, cumplirá con las especificaciones. Las 2 líneas representan los límites de aceptabilidad y la línea central ( promedio entre las 2 líneas exteriores) representa las proporciones óptimas de la combinación. En este caso: 47% Material “A ” y 53% Material “B” (esto es a=0,47 y b=0,53).

METODO ANALITICO PARA 2 MATERIALES

n combinació laen A"" material del 50,050,01

n.combinació laen participar deberá B"" material

el quecon porcentaje al ecorrespond se 0,50b de valor 50,0

2,382

2,35,42

B"" material del 8 N tamizel pasa que %82

A"" material del 8 N tamizel pasa que %2,3

5,422

5035P cionesespecifica

las de Media 8. N tamizel paraobtener desea se que pasante %5,42

:8 :

***1

10,1.**

Aportea

Esteb

porcentajeB

porcentajeA

porcentajeP

NTAMIZDOCONSIDERANAB

APbbBbAAPbBbAP

bababBaAP

COMBINACION DE 2 MATERIALES

TAMIZ 19mm

3/4”12,5

1/2”

9,5

3/8

4,75

N°4

2,36

N°8

600µm

N°30

300

N°50

150

N°100

75µm

N°200

MAT”A” 100 90 59 16 3,2 1,1 0,0 0,0 0,0

MAT”B” 100 100 100 96 82 51 36 21 9,2

ESPEC 100 80

100

70

90

50

70

35

50

18

29

12

23

8

16

4

10

A*a 50 45 29,5 8 1,6 0,6 0 0 0

B*b 50 50 50 48 41 25,5 18 10,5 4,6

TOTAL 100 95 79,5 56 42,6 26,1 18 10,5 4,6

METODO ANALITICO PARA 3 TIPOS DE AGREGADOS

P = A*a + B*b + Cc ; a + b + c = 1,00Pasos a seguir: Normalmente se comienza el análisis con el

tamiz mas fino si se utiliza el criterio de “porcentaje pasante”, o con los tamices mas gruesos si se emplea el criterio de porcentaje total retenido, ya que en ellos se cumple, al menos aproximadamente, la premisa de que 2 de los 3 materiales tendran sus correspondientes porcentajes para ese tamiz, con valores iguales a cero.

En caso de que no suceda tal cosa, se debe asumir que los porcentajes del segundo ó tercer material sean igual a cero para resolver la ecuación.

PROBLEMA:Se desean combinar 3 tipos de agregados

para satisfacer los requerimientos de una mezcla tipo III. La granulometría de los agregados se muestra en el siguiente cuadro:

3 TIPOS DE AGREGADOS

TAMIZ 19mm

3/4”

12,5

1/2

9,5

3/8

4,75

N° 4

2,36

N° 8

600 µ

N° 30

300 µ

N° 50

150 µ

N°100

75 µ

N°200

AGR.”A 100 90 59 16 3,2 1,1 0 0 0

AGR.”B 100 100 100 96 82 51 36 21 9,2

AGR.”C 100 100 100 100 100 100 98 93 82

ESPEC

TIPO III

100 80

100

70

90

50

70

35

50

18

29

13

23

8

16

4

10

TAMIZ N° 200 (modalidad “pasante”): P = 7,0 ; A = 0,0 ; B = 9,2 ; C = 82,0 7,0 = 0*a + 9,2*b + 82*c Se asume pasante del agregado “B” igual a “0”

(muy pequeño respecto a “C”). 7 = 82c c = 0,09. Pero como realmente existe

“b” se puede considerar c = 0,07 . TAMIZ 3/8” (fracción total “retenida”): R = 20% ; Ar = 41 ; Br = 0,0 ; Cr = 0,0. 20 = 41*a + 0*b + 0*c a = 0,49. A + b + c = 1,00 1,0 = 0,49+b+0,07 b=0,44

Tamiz 19mm 12,5 9,5 4,75 2,36 600µ 300µ 150µ 75µ

A*0,49 49,0 44,1 28,9 7,8 1,6 0,5 0,0 0,0 0,0

B*0,44 44,0 44,0 44,0 42,2 36,1 22,4 15,8 9,2 4,0

C*0,07 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 6,9 6,5 5,7

Total 100 95,1 79,9 57,1 44,6 30,0 22,7 15,8 9,8

Especf.

Tipo III

100 80

100

70

90

50

70

35

50

18

29

13

23

8

16

4

10

%47,528.44*67,694,0

94,0´%*

´`´

%

B

CBBBBB

C

%81,3828.44*94,067.6

67,6´%*

´`´

%

B

BBCBCB

B

METODO ASSHTO COMBINACION DE TRES AGREGADOS

S

B (19; 9,2)

B`

A (96,8;0)

C (0;82)

PA

SA

NT

E T

AM

IZ #

20

0Especificaciones:

Retenido #8 : 68- 50%Pasante 200 : 10 - 4

A+B+C=55,72+38,81+5,47= 100% OK

METODO ASSHTO COMBINACION DE CUATRO AGREGADOS

RETENIDO ACUMULADO TAMIZ # 8

PA

SA

NT

E T

AM

IZ #

200

SB (68; 3) A (93,8; 0,1)

C (9 ; 2,1)

D (0; 71)

B`

A´

Especificaciones:Retenido # 8 : 68- 50%Pasante 200 : 10 - 4

A´+B´= S=100 A´= A+C B´= B+D

Comprobando % B´= 100-A´ = 100-24,51= 75,49 =OK Comprobando % D´= (%B´ - % B) = 75,49 – 68,98 = 6,51 OK

A+B+C+D =9,89+68,98+14,62+6,51= 100% OK

Concreto Asfáltico. CONENIN 2000-87Propiedad

Uso de la mezcla

Rodamiento Intermedia Base

Estabilidad

Marshall (lb)

>1.200 >1.000 >900

Flujo (1/100)

Pulg.

8 - 16 8 - 16 8 - 16

% Vacíos de

mezcla

3 - 5 3 - 7 3 - 8

% vacíos llenados asfal.

75 - 85 70 - 85 65 - 85