PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LOS SUELOS

PAVIMENTOS
Concepto y Tipos de pavimentos
Estructura de los pavimentos
Diseño de pavimentos
Métodos de diseño de pavimentos
CBR
Módulo Resiliente
Métodos y Pruebas de campo
Concepto de Pavimento
Estructura
conformada por un
número de capas
(multicapa)
• Resistir y distribuir a capa de fundación (subrasante)
esfuerzos verticales del tráfico
• Resistir esfuerzos horizontales haciendo más durable
superficie de rodamiento
• Mejorar condiciones de rodamiento en cuanto a
comodidad y seguridad
El Pavimento como Estructura
• Estructura Multicapa: diferentes capas de materiales con
propiedades mecánicas diferentes
• Estructura en faja: ancho y alto "finito"; largo "infinito"
• Cargas de tránsito: magnitud e intensidad variables; previsión
de evolución y vida útil aproximada
• Efectos intempéricos: afectan integridad del pavimento por
degradación de capas
• Falla de pavimento: Fatiga causada por efecto de cargas de
tránsito (cargas cíclicas) e intemperismo
• Vida útil pequeña
Tipos de Pavimentos según solicitaciones
Pavimento Autoviario
Pavimento Aeroportuario
Pavimento
Ferroviario
Tipos de Pavimentos según estructura
• Pavimentos Autoviarios y Aeroportuarios
– Flexibles: revestimiento bituminoso (mezcla asfáltica)
– Rígido: revestimiento de hormigón (losas)
Pavimento Flexible
Revestimiento bituminoso
Pavimento Rígido
Carpeta de hormigón
Base
Sub-base
Sub-base
Subrasante
Subrasante
Estructura de Pavimento Flexible
Carpeta Asfáltica
Base
Sub-base
Función Estructural de cada Capa
• Revestimiento: Recibe directamente cargas de tránsito. Resiste
esfuerzos rasantes (horizontales) y proporciona superficie de
rodamiento adecuada
• Base: Resiste y distribuye esfuerzos normales (verticales)
• Sub-base: Complementaria de Base (por economía) o Correctiva
de Subrasante (transición)
• Subrasante: Capa de fundación de estructura. Resiste esfuerzos
normales sin grandes deformaciones
Métodos de Diseño de Pavimentos
• Empíricos: Basados en parámetros que correlacionan
propiedades físicas de materiales
– Índice Soporte de California (CBR)
– Coeficiente de Balasto
• Mecanísticos: Basados en análisis de comportamiento
mecánico de materiales
– Teoría de Elasticidad (Boussinesq, Burmister)
– Módulos Elásticos
Índice Soporte de California (CBR)
Porter (1929)
Medida de la capacidad soporte de materiales granulares, denominada
Índice Soporte de California (California Bearing Ratio, CBR)
carga
Ensayo que mide:
– Resistencia a penetración por
punzonado de vástago en
muestra
de
material
compactado en molde rígido
– Expansión
Pistón
de carga
comparador
molde
suelo
CBR
Relación entre tensión necesaria para penetrar 0,1 in (0,25 cm)
un material dado y tensión necesaria para la misma
penetración en un material arbitrario, adoptado como patrón
CBR (%)
0 ,1"muestra
100
0 ,1" patrón
Material Patrón: Piedra triturada de California de la que se
conoce tensiones necesarias para producir penetraciones
preestablecidas
Tensión – Penetración del Vástago para Muestra Patrón
Penetración
Tensión aplicada
cm
pulgadas
kg/cm2
lb/pulg2
0,25
0,1
70,3
1000
0,50
0,2
105,5
1500
0,75
0,3
133,6
1900
1,00
0,4
161,7
2300
1,25
0,5
182,0
2600
2
Tensión (kg/cm)
Tensión – Penetración del Vástago para Muestra Patrón
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
182,0
161,7
133,6
105,5
70,3
0,0
0,1
0,1
0,2
0,2
0,3
0,3
0,4
0,4
Penetración (in)
Muestra Patrón
CBR (%)
0,1"muestra
70,3
Muestra Ensayada
100
0,1"muestra
0,703
0,5
0,5
Ensayo de CBR
ASTM D1883; AASHTO T193
• 3 probetas compactadas con diferentes
energías, en moldes de 6 in, a humedad óptima
de Ensayo Proctor
– 12 golpes por capa
– 25 golpes por capa
– 56 golpes por capa (PUSM)
• Probetas se sumergen en agua 4 días con sobrecarga (“saturación
de muestras”)
• Se mide expansión en 4 días
• Probetas saturadas se cargan por punzonado en prensa
– Vástago de 3 in2 (19,4 cm2)
– Velocidad de penetración 0,05 in/min (0,127 cm/min)
Ensayo CBR
Curva Tensión - Penetración
2
Tensión (kg/cm )
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0,350
0,400
0,450
Penetración (in)
12 Golpes
25 Golpes
56 Golpes
Se compara CBR0,1" y CBR0,2" adoptándose valor mayor
0,500
Ensayo CBR
Curva CBR–PUS y CBR–Humedad de Compactación
Ensayo CBR
Curva CBR – PUS
PUSM
100
90
80
CBR (%)
70
60
50
40
30
20
10
0
17,5
18,0
18,5
19,0
PUS (kN/m3 )
19,5
20,0
20,5
Crítica del Ensayo CBR
• Condición saturada:
– Se da en materiales granulares (arenas y gravas)
– No se da en materiales finos (arcillas y limos)
• Condición del ensayo:
– Drenado para materiales granulares
– No drenado para materiales finos
Se comparan materiales ensayados en condiciones diferentes
Crítica del Ensayo CBR
Carece de significado físico
• No es medida directa de capacidad soporte de materiales (Porter,
1950)
• Es un ensayo de corte, siendo indicador de resistencia al corte de
suelos (Turnbull, 1950)
• Debe ser considerado como ensayo indicativo de resistencia al
corte... principios de diseño de pavimentos están basados en
prevención de falla al corte de subrasantes de pavimentos
(Simposio de la ASCE, 1950)
Crítica del Ensayo CBR
• Compactación en laboratorio
Compactación en campo
(estructuras distintas)
• Aplicación de carga en laboratorio (estático)
Aplicación de
carga real (tránsito)  respuestas mecánicas diferentes
• Parámetro de diseño de pavimentos sencillo y rápido pero que
conduce a estructuras sobredimensionadas
Parámetros Mecanísticos de Diseño de Pavimentos
• Comportamiento no lineal
de suelos y materiales
granulares
Módulo Tangente
Módulo Secante
a
(%)
• Módulos de deformabilidad
– Variables en función de nivel de y
– Para nivel de muy bajo módulo tangencial
– Menor nivel de mayor rigidez
módulo secante
Módulo Resiliente
• Carga de tránsito
– Tensiones
bajas

Deformaciones bajas
– Tiempo de aplicación de
carga casi instantáneo
– Carga de intensidad gradual y
de aplicación cíclica
Módulo de deformabilidad recuperable representa adecuadamente
comportamiento de materiales de pavimentos
Módulo Resiliente (Hveem, 1955)
– Resiliente X Elástico para diferenciar
– En realidad Resiliencia es energía potencial de deformación
(similar a resorte)
Determinación del Módulo Resiliente
• Simular cargas de tránsito Ensayo de carga repetida (cíclico)
– Carga de compresión aplicada en mismo sentido
– Intensidad de carga gradualmente variable 0  qmáx  0
– Tiempo de aplicación de carga pequeño (fracción de
segundos)
• Reproducción de condiciones reales
– Amplitud = Carga de vehículo (rueda)
– Tiempo de pulso = Velocidad de vehículo
– Frecuencia de aplicación = Volumen de tránsito
Determinación del Módulo Resiliente
q
h
r
t
p
h0
r
p
r
r:
Deformación recuperable (Resiliente)
p: Deformación permanente (Plástica)
q: Tensión desviadora (
h: Deformación vertical máxima
h0: Altura inicial de probeta
MR
q
r
Módulo Resiliente
Ensayos de cargas cíclicas
Triaxial cíclico (Seed et al., 1955)
(AASHTO T274-82)
• Presión de cámara ( 3): agua o aire
• Tensión desviadora ( d): cíclica
Compresión diametral cíclica
(Schmidt, 1972)
Ensayos de Campo
• Parámetros empíricos
– CBR in situ (ASTM D4429)
– Prueba de Carga de Placa
– Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP)
• Parámetros mecanísticos (deflexiones)
– Viga Benkelman
– Deflectógrafo de Lacroix
– Deflectómetro de Caída de Pesa (FWD)
Prueba de Carga de Placa (McLeod, 1948)
Módulo de reacción de subrasante (k):
: tensión que transmite placa al suelo
: deformación fijada previamente
k
Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP)
• Espesor de capas, peso
específico, resistencia a la
penetración
Mango de agarre
Masa de 8 Kg
3 mm
575 mm
1935 mm
20 mm
T ope
• Pesa de 8 kg
• Caída libre de 575 mm
• Índice de Penetración (IP)
IP
N
: Penetración del cono
N: Número de golpes
Regla de
medida
Cono
Punta
endurecida
a 60º
Viga Benkelman (Benkelman, 1953)
• Deflexión por recuperación elástica
• Camión con 8,2 ton (80 kN) en eje trasero y 80 psi (550 kPa) de
presión de inflado de ruedas
Viga Benkelman
Deflectógrafo de Lacroix (LCPC)
• Deflexión máxima por carga transmitida por dos pares de ruedas
• Medidas automáticas por palpadores colocados en trineos
• Medidas casi continuas
Falling Weight Deflectometer (FWD)
(Sorensen & Hayven, 1982)
• Deflexión por carga de impacto producida por pesos que caen
sobre placa apoyada en pavimento
• Medidas automáticas por sensores de velocidad
• Simula carga de tránsito a velocidad de 70 – 80 km/h