Notas de clase (2007)

Trabajo Práctico Nº 3
Conceptos básicos para diseño de pavimentos
Pavimentos flexibles
Pavimentos rígidos
OBJETIVOS
Los pavimentos sirven fines estructurales, funcionales y de seguridad.
ESTRUCTURAL: el pavimento sirve
a distribuir las cargas bajo las
ruedas de los vehículos sobre áreas
suficientemente amplias como para
evitar tensiones (superiores a su
capacidad) en la capa inferior del
pavimento.
La carga de la rueda sobre la
superficie del pavimento se aplica
en un área muy reducida, causando
grandes tensiones. Sin embargo
estas tensiones van disminuyendo
con la profundidad: el nivel de
tensiones disminuye desde la capa
superior a la inferior en las
estructuras de pavimentos.
Distribución del peso de la rueda desde el punto de contacto hasta la última capa
de suelo.
Fuente: “Trasportation Engineering and Planning” 3*Edition, Papacostas and
Prevedouros
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1
OBJETIVOS
Funcional: la estructura del pavimento está relacionada con los requisitos del
usuario de un andar suave y confortable.
La calidad de manejo se mide en términos de Indice de Serviciabilidad
Presente (PSI), concepto desarrollado por la American Association of State
Highway Officials (AASHTO). PSI se mide principalmente según la rugosidad del
terreno referida a los deterioros producidos por el uso y edad de los pavimentos y
es uno de los criterios utilizados para la toma de decisiones respecto al
mantenimiento, rehabilitación y reconstrucción de pavimentos.
Los típicos deterioros de los pavimentos son: fisuras longitudinales y/o
transversales, roturas, bacheos y ahuellamientos que afectan la integridad
estructural de los pavimentos y el nivel de servicio.
Seguridad: relacionada con el desarrollo de la resistencia friccional y la
interacción pavimento-rueda. La fricción se asegura con la elección de los
materiales y diversos tratamientos superficiales (por ejemplo texturizado). Otra
característica relacionada con la seguridad es la reflectividad de la superficie del
pavimento.
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Rugosimetro BPR (Bureau of Public Road EEUU)
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Péndulo de fricción
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Suelos: definiciones básicas
Nos interesa estudiar:
z Caracteristicas mecánicas de los suelos (granulometría)
z Características físicas de los suelos (Límites de Atterberg)
Recordar que:
Densidad de suelo seco:
Dss = Peso del suelo seco / Volumen total
Humedad de un suelo:
H(%) = (Peso de Agua / Peso de Suelo Seco) x 100
Límite Líquido (LL):
Máxima H(%) para que el suelo no fluya y sea trabajable.
Límite Plástico (LP):
Mínima H(%) para que el suelo no se resquebraje y sea trabajable.
Índice de Plasticidad: IP = LL – LP
Suelo expansivo (IP > 10): presenta grandes cambios de volumen al variar H(%).
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3
Suelos: definiciones básicas
Materiales Granulares
Canto Rodado: Retenido en tamiz 3”.
Grava: Pasa tamiz 3” / Retenido por tamiz 10.
Arena Gruesa: Pasa tamiz 10 / Retenido por tamiz 40.
Arena Fina: Pasa tamiz 40 / Retenido por tamiz 200.
Materiales Cohesivos
Pasan tamiz 200.
5.
6.
Limo : IP < 10.
Arcilla: IP > 10.
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Suelos: definiciones básicas
Granulometría
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Límites Atterberg
INTRODUCCIÓN:
• El
agua
afecta
significativamente
el
comportamiento de las partículas finas de los
suelos viales
• Diferentes partículas finas de los suelos se
comportan de formas distintas frente a la acción del
agua
• Cómo puedo categorizar los suelos a partir de sus
partículas finas?
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Límites Atterberg – Límite Plástico
Límite Plástico:
• Se realiza con la porción de suelo que pasa el
tamiz de 0.425 mm (#Nº40)
• Se define como el más bajo contenido de humedad
con el que al ser moldeado en barritas cilíndricas
de menor diámetro cada vez, comienza a agrietarse
cuando las barritas alcanzan a tener 3mm de
diámetro
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Límites Atterberg – Límite Plástico
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Límites Atterberg – Límite Plástico
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6
Límites Atterberg – Límite Líquido
Límite Líquido:
• Es la menor humedad a partir de la cual el suelo se
comporta como un líquido
• Se realiza con la porción de suelo que pasa el tamiz de
0.425 mm (#Nº40)
• Se define como el más bajo contenido de humedad
necesario para que las dos mitades de una pasta de
suelo de 1cm de espesor fluyan y se unan en una
longitud de 12mm en el fondo de la muesca que separa
las dos mitades cuando la cápsula que la contiene
golpea 25 veces desde una altura de 1cm y a la
velocidad de 2 golpes por segundo
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Límites Atterberg – Límite Líquido
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Límites Atterberg – Límite Líquido
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Límites Atterberg – Límite Líquido
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8
Límites Atterberg – Límite de Contracción
Límite de Contracción:
• Es la humedad para la cual el suelo no se contrae
cuando la humedad baja de ese límite, y se
expande cuando la humedad aumenta sobre ese
límite.
• Se realiza con la porción de suelo que pasa el
tamiz de 0.425 mm (#Nº40)
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Límites Atterberg – Representación Grafica
LL
V
O
L
U
M
E
N
45º
LP
LC
HUMEDAD
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Sistemas de Clasificación de Suelos
Existen varios sistemas de clasificación de suelos
Los sistemas más comunes de clasificación son :
Unified Soil Classification System (USCS)
Highway Research Board (HRB)
El sistema de clasificación HRB es el más comúnmente
empleado para suelos de uso vial
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Clasificación de Suelos – HRB
z Desarrollado para la industria de la construcción de
caminos
z Fundamentado en la observación de la estabilidad de
diferentes suelos bajo pavimentos de rutas y
autopistas
z Posee siete grupos principales de suelos, A-1 a A-7
z Agrupados por granulometría, límite líquido e índice de
plasticidad
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Clasificación de Suelos – HRB
Clasificación General
Materiales Granulare s
Materiales Lim o-Arcillosos
(35% o m enos pasa #Nº200 -0.075m m -)
(m ás del 35% pasa #Nº200 -0.075m m -)
A-1
A-7
A-2
Grupo de Clasificación
A-7-5
A-1-a
A-1-b
A-3 (1)
A-2-4
A-2-5
A-2-6
A-2-7
A-4
A-5
A-6
A-7-6
Análisis granulom étrico
P#Nº10 (2.00 mm)
50 max
-
-
P#Nº40 (0.425 mm)
30 max
50 max
51 max
-
-
-
-
-
-
-
-
P#Nº200 (0.075 mm)
15 max
25 max
10 max
35 max
35 max
35 max
35 max
36 min
36 min
36 min
36 min
Características de la fracción que pasa #Nº40
Límite Líquido
-
-
40 max
41 min
40 max
41 min
40 max
41 min
40 max
41 min
Índice de Plasticidad
6 max
S/P
10 max
10 max
11 min
11 min
10 max
10 max
11 min
11 min (2)
Constitutivos
Significantes
Comportamiento general
como subrasante
Frag. de piedra,
grava, y arena
Arena fina
Características generales
Grava y arena limosa o arcillosa
Limos
Excelente a bueno
Arcillas
Regular a malo
Sentido de disminución de la calidad de los suelos como subrasante
(1) La ubicación de A-3 antes que A-2 es necesaria para el “proceso de clasificación izquierda a derecha” y no indica
superioridad de A-3 sobre A-2
(2) El IP del Sug-Grupo A-7-5 es menor o igual que LL-30, y el IP del Sug-Grupo A-7-6 es mayor que LL-30
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Clasificación de Suelos – HRB
A-1 a A-3: Excelente a buen material para subrasante
A-1: máxima estabilidad, menos del 50% pasa #Nº40,
menos del 25% pasa #Nº200
A-2: menos del 35% pasa #Nº200
A-3: arena fina
A-4 to A-7: Regular a pobre material para subrasante
Más del 36% pasa #Nº200
Separación por límite líquido e índice plástico
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Clasificación de Suelos – HRB
DIAGRAMA PARA DIFERENCIAR GRUPOS DE SUELOS EN FUNCIÓN DE LOS LÍMITES ATTERBERG
70
60
Índice de Plasticidad
50
IP = LL - 30
40
30
A-7-6
20
A-7-5
A-6
A-2-6
10
A-2-7
A-4
0
10
20
A-2-4
30
A-5
40
A-2-5
50
Límite Líquido
60
70
80
90
100
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Clasificación de Suelos – HRB
Índice de Grupo (IG):
Se utiliza para evaluar y comparar suelos de la misma clasificación
IG = (F-35)[0.2+0.005(LL-40)]+(F-15)(IP-10),
F = % pasa #Nº200 (0.075mm)
LL = Límite Líquido
IP = Índice de Plasticidad
Se determina para los suelos finos y los sub-grupos A-2-6 y A-2-7 de los suelos
granulares. Para estos sub-grupos sólo se aplica el tercer término de la
ecuación
IG >= 0, si la ecuación da un valor negativo se adopta cero como IG
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DENSIDAD
(kg/m3)
COMPACTACIÓN DEL SUELO
ENERGÍA DE
COMPACTACIÓN
HUMEDAD %
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Densidad Proctor
Dss
A
Dmax
Hidratación Lubricación HinchamientoSaturación
Hop
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H
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Relación entre Tensión y Deformación – Ensayos
Empíricos:
CBR (California Bearing Ratio, AASHTO T-193) o
VSR (Valor Soporte Relativo, VN E-6).
k (Módulo de Reacción de la Subrasante, AASHTO
T-222)
Racionales:
Ensayo triaxial
Módulo Resiliente (AASHTO T-294)
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California Bearing Ratio (CBR) – Definición
INTRODUCCIÓN:
El CBR de un suelo es la relación, en %, entre el
esfuerzo necesario para penetrar un pistón de
dimensiones dadas a una velocidad prefijada
hasta una profundidad determinada en la muestra
del suelo analizado, y la presión correspondiente
para la misma penetración en una muestra patrón
con características ideales
El CBR o valor soporte relativo de los suelos
establece, en forma indirecta, una medida de
resistencia al corte
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CBR – Condiciones de Ensayo
El valor soporte relativo de un suelo dependederá:
• Características fisico químicas del mismo,
• Densidad seca,
• Forma de compactación,
• Humedad con la que fue compactado,
• Humedad al momento del ensayo de CBR
• Sobrecarga aplicada al momento del ensayo de
CBR
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CBR – Condiciones de Ensayo
z
z
z
Humedad de compactación: Pequeñas variaciones en
el contenido de humedad de compactación afectan
significativamente el CBR
Sobrecarga: incrementa el CBR de los suelos
friccionales y disminuye el hinchamiento de los suelos
cohesivos
Humedad de ensayo: el ensayar el suelo en
condiciones de embebimiento equivale a proyectar en
las más desfavorables condiciones a que puede llegar
un pavimento
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CBR – Ensayo “IN SITU”
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CBR – Ensayo Dinámico –Compactación
Simplificado (3 probetas
compactadas)
Completo (15 probetas
compactadas)
Este ejemplo
corresponde a un
material friccional con
Hop baja
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CBR – Ensayo de Penetración
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CBR – Ensayo de Penetración
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CBR – Ensayo Dinámico Completo - Resultados
(+)
(+)
(+)
(+)
Hinchamiento
Humedad
(+)
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VSR
(+)
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CBR – Ensayo Dinámico Simplificado - Resultados
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CBR – Correlación y Valores Orientativos
Resistencia [kg/cm2] ≅ 100 * CBR (para
suelos finos cohesivos)
Hinchamiento <= 2% no presenta potenciales
problemas
Valores orientativos de CBR o VSR según la
función del material en el paquete estructural:
Base: CBR >= 80%
Subbase:
Subbase: CBR >= 40%
Subrasante buena:
buena: CBR ≅ 8%
Subrasante regular a pobre:
pobre: CBR entre 5% y 1%
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Módulo de Reacción de la Subrasante (k)
INTRODUCCIÓN:
„
„
El módulo de reacció
reacción de la subrasante (k
(k) de un
suelo se define como la relació
relación entre el presió
presión
aplicada mediante un plato o disco, de secció
sección
dada, a la subrasante y la penetració
penetración o
deflexió
deflexión resultante (AASHTO TT-222 y ASTM DD1195)
El k mide la resistencia (o capacidad soporte)
soporte)
del material de subrasante a ser comprimido bajo
la acció
acción de las cargas transmitidas al suelo
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k – Ensayo del plato de carga - Esquema
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k – Consideraciones sobre su determinación
Para su determinación debe aplicarse una presión
con el plato de carga similar a la que le transmitirá el
pavimento en servicio:
ƒ En general se aplican 10psi (0.7kg/cm2)
El valor k depende además del diámetro del plato:
ƒ La deflexió
deflexión generalmente aumenta cuando el
tamañ
tamaño del plato disminuye (para presió
presión cte)
cte)
ƒ Para pavimentos rígidos se adopta un diá
diámetro
de 30”
30” (76cm)
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k – Aplicación en la teoría de Westergaard
Para la correspondencia de los resultados en
pavimentos rígidos con la teoría desarrollada por
Westergaard el valor k determinado con el ensayo
del plato debe ser establecido para una deflexión
de 0.05” (1.25mm)
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k – Correlación con CBR
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TIPOS DE PAVIMENTO:
PAVIMENTO FLEXIBLE
PAVIMENTO FLEXIBLE: la totalidad de la estructura interviene en la
distribución de las cargas. Dicha distribución depende de la trabazón
entre agregados, la fricción entre partículas y cohesión (estabilidad).
La calidad de la subrasante se mide en términos de módulo resiliente
(CBR).
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TIPOS DE PAVIMENTO:
PAVIMENTO RIGIDO
PAVIMENTOS RÍGIDOS: las cargas son absorbidas por la losa de
hormigón, las capas inferiores deben servir de apoyo. La subrasante se
mide en términos de “módulo de reacción de la subrasante” (kg/cm3)
Juntas de contracción y
alabeo: hendidura 4.5 cm
cada 5 m.
Juntas longitudinales:
barras de unión de acero
conformado
Junta transversal: pasador
de acero liso mitad engrasado
Junta de expansión
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PAVIMENTOS RIGIDOS:
Tipos de juntas
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PAVIMENTOS RIGIDOS:
Tipos de juntas
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PAVIMENTOS RIGIDOS:
Distribución de juntas
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COMPARACIÓN
Caracterí
Características
Flexible
Rigido
Costo inicial
Menos
Mas
Mantenimiento
Mas, mas
Menos
Comodo
Mas
Menos
Rugosidad
Mas
Mas
Duració
Duración
Menos
Mas
Distrib. De cargas
Areas
pequeñ
pequeñas
Areas
grandes.
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DISEÑO DE PAVIMENTOS
El diseño de pavimentos incluye:
Elección del tipo de pavimento (flexible, rígido y compuesto)
Diseño de la estructura (bases, subbases, dosificación de
agregados)
Selección de las capas de suelo dentro de la estructura
Diseño de los espesores de las distintas capas
Los factores que determinan el diseño del pavimento son:
La carga de tráfico
Los suelos y los materiales
El entorno
Confianza
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DISEÑO DE PAVIMENTOS
CARGA DE TRAFICO
Es el factor más importante para el diseño de pavimentos puesto
que determina el espesor del mismo.
Depende del peso de los ejes, el volumen y la composición del
tráfico y la presión de los neumáticos.
El cálculo de la carga del tráfico varía según los métodos utilizados.
El método AASHTO utiliza ejes equivalentes de 18 kips ESALs
(Equivalent single axe load) todo el tráfico es trasformado a cargas
de eje simple de 18.000 lb.
Otros métodos utilizan el TMDA y el porcentaje de vehículos
pesados.
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DISEÑO DE PAVIMENTOS
SUELOS
Suelos débiles o inestables pueden requerir algún tipo de
tratamiento para mejorarlo.
La propiedad más importante de los suelos es el módulo resiliente
que representa su capacidad de recuperación de deformación a
una determinada carga.
ENTORNO
Lluvias, humedad y temperatura. Procesos de congelamiento y
deshielo.
CONFIANZA
80% a 99% para la mayoría de los casos.
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MÉTODOS DE DISEÑO
Existen dos grandes clasificaciones de métodos de diseño:
Método tradicional experimental/estadístico de AASHTO.
Basado en datos reales y relevados continuamente de las
carreteras de los Estados Unidos. El modelo es una modelización
estadística según el comportamiento de una gran cantidad de tipos
de pavimento.
Método mecanisistico/empírico del Asphalt Institute y la
Portland Cement Association. Basado en modelizaciones teóricas
del comportamiento del pavimento: el pavimento se lo asemeja a
un estrato multicapa de comportamiento elástico en una fundación
elástica. El método es calibrado con experiencias.
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GESTIÓN DE PAVIMENTOS
Un sistema de gestión de pavimentos coordina distintas actividades
asociadas al diseño, planeamiento, construcción, mantenimiento,
investigación y evaluación de pavimentos.
Los sistemas se estructuran alrededor de tres etapas:
1. Relevamiento sistemático de las condiciones (estructurales,
superficiales, etc.) de los pavimentos.
2. Diagnóstico: ordenamiento de prioridades, estudio de alternativas
3. Implementación de alternativas
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GESTIÓN DE PAVIMENTOS
EJEMPLO: AUSCULTACIÓN DE PAVIMENTOS
La campaña de auscultación deflectométrica se realiza con un deflectómetro por impacto tipo
Falling Weight Deflectometer (FWD). Consiste en la aplicación de cargas en la superficie del
pavimento, midiendo la respuesta estructural del mismo en términos de deflexiones superficiales.
El equipo FWD aplica en la superficie del pavimento una carga dinámica en forma de impulso
similar, tanto en duración como en magnitud, a la producida por los vehículos las aeronaves más
pesadas que operan en el aeropuerto.
El equipo utiliza sensores (geófonos), los cuales efectúan las determinaciones de deflexiones
producidas por la carga. Los mismos se distribuyen a 0, 30, 60, 90, 120,150 y 180 cm del centro
del plato de carga, tal como fue solicitado. La carga aplicada, puede variar, por ejemplo entre
3.000 kg hasta 15.000 kg, distribuida en un plato de carga de 0.30 m de diámetro.
El objetivo principal de las mediciones efectuadas es estudiar el estado del pavimento y los
parámetros estructurales del mismo en las diferentes secciones.
La transferencia de carga entre losas adyacentes constituye un importante parámetro en la
evaluación estructural de pavimentos de hormigón, ya que las juntas corresponden
generalmente a las áreas de mayor deterioro observado en las losas.
Otro aspecto importante es la evaluación de la eficiencia de juntas en pavimentos de hormigón
(no sólo de la eficiencia de la transferencia de carga en términos de deflexión sino también en
términos de tensiones)
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Pavimentos rigidos
Los pavimentos rígidos son aquellos en los que la capa superior del
pavimento está compuesta por hormigón.
La caracteristica más notable del pavimento rígido es su resistencia
a compresión, muy superior a la de tracción. Para soportar
esfuerzos de tracción se les colocan barras o se los pretensan.
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Función de las subbases
Pavimentos Rígidos
Solicitan la subrasante
con bajas tensiones
Porqué puede ser
necesaria la interposición
de una subbase
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Función de las subbases
Subbases
Soporte uniforme y estable
1) Previenen contracciones e hinchamientos excesivos
de los suelos caracterizados por altos cambios
volumétricos
2) Colaboran en el control de levantamientos
diferenciales o excesivos por acción de heladas
3) Previenen el fenómeno denominado “bombeo”de los
suelos finos
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Función de las subbases
Bombeo
Definición: eyección forzada de una mezcla de suelos finos y
agua a través de las juntas.
Causas:
Subrasante con suelo susceptible de entrar en suspensión
Agua libre entre el pavimento y la subrasante
Pasaje frecuente de cargas pesadas
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Función de las subbases
3) Previenen el fenómeno denominado “bombeo”
de los suelos finos
El bombeo puede ser evitado interponiendo, entre el pavimento y la
subrasante, materiales no susceptibles a este fenomeno (ejecución de una
subbase)
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Función de las subbases
La principal razón para la ejecución de subbases es prevenir el
bombeo, para lo cual alcanza con espesores mínimos constructivos
(10cm - 15cm)
No se justifica económicamente ejecutar subbases con el objetivo
de aumentar la capacidad portante de las capas inferiores de la losa
de hormigón
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Equipo cortador de cancha “Trimmer”
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Descarga de hormigón
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Descarga de hormigón
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Equipo pavimentador
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Equipo pavimentador
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Texturizado
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Aserrado de juntas
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Sellado de juntas
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Curado con agentes químicos
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