ensayo de modulo resiliente

XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003
Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú
ENSAYO DE MODULO RESILIENTE
Bach. Felicita Marlene Limaymanta Mendoza(1)
Ing. Wilfredo Gutiérrez Lázares(2)
1. INTRODUCCION
El método de diseño de pavimentos flexibles propuesto por AASHTO, contempla el MR, como
parámetro para representar la capacidad de soporte de los materiales de fundación del pavimento.
Del modelo de comportamiento de los pavimentos flexibles, el módulo resiliente (MR) se determinó
mediante la ejecución de ensayos triaxiales dinámicos en muestras sometidas a cargas repetidas, lo
cual se interrelaciona con la recomendación de la guía en lo referido a la determinación del parámetro
indicado.
Si bien se puede hallar el MR, mediante fórmulas empíricas relacionadas con otros ensayos básicos de
capacidad de soporte (CBR), en el Perú, se tiene poca experiencia en la determinación experimental
directa de este ensayo. En consecuencia se ha adecuado el equipo de ensayos triaxiales dinámicos, para
obtener resultados válidos efectuados en muestras representativas y que permitan la asociación con los
ensayos tradicionales efectuados a los suelos del Perú.
Estos ensayos se realizaron siguiendo el procedimiento de la norma Resilient Modulus of Uribound
Granular Base/Sub base Materials and Subgrade Soils – AASHTO. T294-92I propuesto en 1992,
método que originalmente fue desarrollado por S.H.R.P. (Strategic Highway Research Program),
conocido como “Protocolo 846”, y que es una modificación del ensayo AASHTO. T274.
A partir de la adecuación y puesta a punto del equipo, se ha logrado obtener ensayos de módulos
resilientes en suelos finos alterados e inalterados mediante la aplicación del ensayo triaxial dinámico
con cargas repetidas.
En el presente trabajo se comenta sobre los primeros resultados experimentales obtenidos, así como la
determinación de otros factores que afectan el comportamiento resiliente de estos materiales.
2. METODOLOGÍA O DESARROLLO
2.1 CONCEPTO DE RESILIENCIA
Cuando un vehículo circula sobre el pavimento, los neumáticos transmiten cargas que son absorbidas
por la estructura, entonces un elemento diferencial de suelo ubicado en la subrasante, estará sometido a
esfuerzos que a su vez inducen un estado de deformaciones, tal como se muestra en la Fig. 1. Si se
considera al material de subrasante, con un comportamiento elástico, isótropo y homogéneo, hipótesis
1
2
Investigadora del CISMID
Jefe del Laboratorio de Mecánica de Suelos de la Universidad Nacional de Ingeniería
Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia
Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]
Ver indice
1
XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003
Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú
básicas de la mecánica de suelos, los esfuerzos y las deformaciones se relacionarán con el modulo de
elasticidad y la relación Poisson, propios del material.
Pero la respuesta real, está en función de las características propias de los materiales que conforman el
pavimento y donde las cargas impuestas por el transito tienen un carácter dinámico con muy cortos
tiempos de aplicación. Luego la deformación total inducida, se recupera al cesar la carga aplicada.
Concreto Asfaltico
Base Granular
Sub−base granular
Sub Rasante
σv = σ + σd
3
σ = Presion de Confinamiento
σ = Esfuerzo Desviador = σ − σ
σ = Esfuerzo Vertical = σ + σ
3
σ
σ
3
3
d
v
v
3
3
d
σ
3
Fig. 1.- Estado de esfuerzos provocados en la subrasante por el paso de un vehículo en movimiento.
Esto implica, que en estricto rigor, los materiales no presentan un comportamiento elástico, y por ello
se introduce el termino de modulo resiliente, que corresponde a un “modulo elástico supuesto”, el cual
relaciona las solicitaciones de cargas aplicadas con las deformaciones recuperables.
La determinación del módulo resiliente en los suelos, se realiza mediante ensayos triaxiales dinámicos
de cargas repetidas en probetas cilíndricas que simulan un elemento de suelo. Estas probetas de suelo,
confeccionadas o talladas de muestras inalteradas, serán ensayadas luego de proporcionarles
condiciones representativas que se espera tener en el campo..
Las probetas se someten a una presión de confinamiento σ3 y a un esfuerzo desviador σd; este estado
de esfuerzos pretende reproducir la condición del suelo cuando es sometido a las cargas sucesivas del
trafico.
La respuesta típica esperada de este ensayo, se puede observar en la Fig. 2 y a partir de este ensayo se
puede definir matemáticamente el módulo resiliente del material, según la expresión indicada en la
ecuación Ec.1.
Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia
Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]
Ver indice
2
XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003
Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú
Deformación Elástica
Deformación Total
εr
Deformación Plástica
Deformación Plástica
Acumulada
Deformación Plástica
Fig. 2.- Deformaciones bajo carga repetidas.
MR (σ3 σd ∈r) =
σd
σ3
εr
Ec.1
Donde:
MR = Módulo resiliente
σd = Esfuerzo desviador
∈r = Deformación recuperable medida en la dirección axial
Luego de un determinado número de repeticiones.
Cabe anotar que los resultados de módulo resiliente, son influenciados principalmente por tres factores:
Estado de tensiones (esfuerzo confinamiento y esfuerzo desviador)
Tipo de suelo y estructura interparticular (métodos de compactación)
Estado físico del suelo (humedad y densidad)
2.2 DESCRIPCION DEL ENSAYO DE MODULO RESILENTE EN LABORATORIO
El ensayo consiste en construir una probeta cilíndrica correspondiente a una muestra de suelo no
tratado o tratado, remoldeada la cual se confina en una celda triaxial, que permite aplicar una variedad
de presiones de confinamiento a la muestra con el objeto de simular las condiciones al que estará
sometido el suelo como parte sustentable de la estructura del pavimento. Luego, a través de un
adecuado sistema de aplicación de carga, se somete a la probeta a un gran número de pulsos de
magnitud y duración determinadas. En este ensayo se registra tanto la fuerza como las deformaciones
producidas en la muestra.
Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia
Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]
Ver indice
3
XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003
Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú
Con ayuda del equipo de ensayos triaxiales dinámicos del Laboratorio de Geotecnia del CISMID, el
modulo resiliente en muestras inalteradas fue determinado de acuerdo a la norma AASHTO T294-92 .
Originalmente el método fue por el Programa Estratégico de Investigación de Carretera SHRP
(Strategic Highway Research Program), conocido también como “Protocolo 846”, y que es una
modificación de la norma AASHTO T274. La integración y adecuación de las fuentes mencionadas
anteriormente, ha permitido desarrollar los ensayos de acuerdo a las características de la norma
AASHTO T294-92I y para lo cual se hará una breve descripción evaluando las diferencias cuando se
emplea el equipo triaxial cíclico con limitaciones inherentes a éste. o
2.2.1 TIPO DE MATERIAL
El ensayo AASHTO reconoce dos tipos de materiales para ser ensayados:
• Materiales Tipo 1 o también “gruesos”, incluyen todos aquellos materiales no tratados que
cumplen con el criterio de menos del 70% debe pasar la malla Nº 10 y un máximo del 20% puede
pasar el tamiz Nº 200. Estos suelos presentan clasificación AASHTO iguales a A-1, A-1-b, A-2, ó A-3.
• Materiales Tipo 2 o también “finos”, incluyen todos aquellos materiales no tratados que no
cumplen con el requisito para ser clasificado como material tipo 1, como los suelos A-4, A-5, A-6 y A7.
2.2.2 EQUIPO
El equipo recomendado por AASHTO, para realizar el ensayo T294-92I, incluye los componentes
siguientes:
Cámara triaxial.
Sistema de control y aplicación de cargas repetidas.
Equipo de medición de cargas y deformaciones y sistema de registro de las variables
involucradas en el ensayo.
Equipo para la confección de los especimenes.
Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia
Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]
Ver indice
4
XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003
Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú
Fig. 3. Equipo Triaxial Dinámico del CISMID
2.3 PROCEDIMIENTO EQUIPO TRIAXIAL CICLICO DEL CISMID
Una vez instalada la muestra, preparada con materiales tipo 2, en la celda y ubicado el marco de
carga3 el procedimiento secuencial considera las etapas siguientes:
Etapa de Precondicionamiento
Aplicar una presión de confinamiento de 6 psi dentro de la celda. Mantener un mínimo de contacto del
10% del máximo esfuerzo desviador de cargas repetidas, durante la aplicación de cargas.
Se debe aplicar una carga de acondicionamiento del espécimen de 1000 ciclos en un esfuerzo desviador
de 4 psi . Aplicar una onda de carga tipo “Haversine Shaped” que consiste en un pulso de carga de 0.1
segundos de duración seguido de 0.9 segundos de descanso como se muestra en la Fig. 4
σ d = σ dm ax* s e n ( w t)
0
0 .1
1 .0
1 .1
tie m p o (s e g )
Fig. 4. Onda de carga como una función tipo “Haversine Shaped”
Secuencias del Ensayo
Se disminuye el esfuerzo desviador de 4 psi (esfuerzo de precondicionamiento) a 2 psi y se aplica 100
repeticiones de este esfuerzo desviador correspondiente a un pulso dinámico de 1 segundo de duración.
Luego se sigue incrementando el esfuerzo desviador de 4 psi hasta llegar a 10 psi, para cada
incremento de esfuerzo desviador se aplica 100 repeticiones de carga. En la secuencia siguiente se
disminuye el esfuerzo de confinamiento a 3 psi y se aplica esfuerzos desviadores de 2 psi , hasta 10 psi
como en las secuencias anteriores. Se continua con el ensayo hasta disminuir el esfuerzo de
confinamiento a cero y se aplica los mismos esfuerzos desviadores de las secuencias anteriores. La
Tabla 1, ilustra las secuencias del ensayo. En todas las secuencia se registra las deformaciones para
3
Cf.: pasos 8.1 a 8.1.1.8 del ensayo T294-92I
Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia
Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]
Ver indice
5
XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003
Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú
cada esfuerzo desviador aplicado y se calcula la deformación recuperable, con estos datos se halla el
MR mediante la ecuación Ec. 1.
Tabla 1.- Secuencia de Ensayo para Suelos Tipo 2
Secuencia N°
0*
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Presión de
Confinamiento
σ3
6
6
6
6
6
6
3
3
3
3
3
0
0
0
0
0
Esfuerzo
Desviador
σd (PSI)
4
2
4
6
8
10
2
4
6
8
10
2
4
6
8
10
Número de
Aplicación de
Carga
500
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
* Carga de precondicionamiento.
Para el presente caso, empleando el equipo triaxial cíclico del CISMID, al no contar con el pulso
tipo Haversine Shaped, se empleó un pulso del tipo sinusoidal de 1 segundo de duración, tal como
como se muestra en la Fig. 5.a
Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia
Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]
Ver indice
6
XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003
Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú
a)
σ
d
σ
d
b)
tiempo
0
0.5
1.0
tiempo
Fig. 5. Pulsos de carga que se pueden dar en el equipo Triaxial Cíclico del CISMID.
Sin embargo instalando la celda triaxial en el marco de carga de forma adecuada se logró que estos
pulsos se conviertan en pulsos sinusoidales cortados del tipo que se muestra en la Fig. 5.3b,
asemejando lo sugerido por la norma de ensayo.
El uso de este pulso (fig.5.3b) con mayor tiempo de duración de la carga indujo a disminuir
arbitrariamente la carga de pre-acondicionamiento del espécimen de 1000 ciclos a 500 ciclos.
3. RESULTADOS
La respuesta resiliente de un suelo no posee un valor único ya que varía con el estado de esfuerzos al
que es sometido el suelo, por lo que el módulo resiliente más es una familia de curvas que un punto.
La norma AASHTO T294-92, especifica el ploteo del “log Mr versus log σd”; el ajuste consiste en
determinar los coeficientes K1 y K2, usando regresiones en las cuales el coeficiente de determinación
debe R2 debe ser igual o superior a 0.9. En las Fig. 6 y Fig. 7, muestra un ejemplo de procesamiento
de datos.
Fig 6. Formato para Modulo Resilente
MR = K 1 (σ d ) K 2 = 53345(σ d ) −0.2662
Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia
Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]
Ver indice
7
XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003
Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú
R 2 = 0.9156
Modulo Resilente (Mr)
100000
10000
MR (Presion de Confinamiento = 6 PSI )
MR (Presion de Confinamiento = 3 PSI )
MR (Presion de Confinamient o= 0 PSI)
1000
1.00
Esfuerzo Desviador (σd)
10.00
Fig 7. Ploteo logarítmico de Modulo Resiliente (MR) vs. el Esfuerzo Desviador (σd)
3.1 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
A modo ilustrativo se presenta el comportamiento resiliente del material de una de las muestras en
suelos finos cohesivos, este es un comportamiento esperado, según la literatura revisada. El
comportamiento de las demás muestras, para este tipo de suelo presentan similar comportamiento.
MODULO RESILIENTE
PRESION DE CONFINAMIENTO 6
PSI
PRESION DE CONFINAMIENTO 3
PSI
PRESION DE CONFINAMIENTO 0
PSI
MODULO RESILIENTE
40000
35000
30000
25000
20000
0
2
4
6
8
10
12
ESFUERZO DESVIADOR
La totalidad de los valores de modulo Resiliente determinados están comprendidos dentro de un rango,
2500 a 33000 psi , estos resultados corresponden a probetas en condición no saturada.
Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia
Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]
Ver indice
8
XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003
Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú
Las curva que muestra la variación del modulo de resiliencia en función del esfuerzo desviador
aplicado, presentan la tendencia de disminución inicial y un posterior aumento del modulo Resiliente,
cuando el esfuerzo desviador aumenta, como se indica en la Fig. 8, esta tendencia va de acuerdo con
la información recopilada.
RELACION ENTRE EL ESFUERZO DESVIADOR Y MODULO
RESILIENTE
MODULO RESILIENTE (PSI)
55000
50000
45000
40000
35000
30000
25000
20000
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
ESFUERZO DESVIADOR (PSI)
Fig. 8. Variación del MR respecto al tensor desviador aplicado
Los valores del modulo resiliente determinados no son en general dependiente de la presión de
confinamiento, como se muestra en la Fig. 9, donde los gráficos de variación del MR respecto de la
presión de confinamiento resultan rectas paralelas al eje de las abscisas.
RELACION ENTRE EL ESFUERZO DE CONFINAMIENTO Y
MODULO RESILIENTE
MODULO RESILIENTE (PSI)
30500
25500
20500
15500
ESFUERZO DESVIADOR 4 PSI
10500
ESFUERZO DESVIADOR 6 PSI
5500
ESFUERZO DESVIADOR 10
PSI
500
0
1
2
3
4
5
6
7
ESFUERZO DE CONFINAMIENTO (PSI)
Fig. 9. Variación del MR en función de la presión de confinamiento
Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia
Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]
Ver indice
9
XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003
Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú
Dentro del rango de esfuerzos desviadores empleados, se observan los valores de modulo Resiliente
mas altos para 2 psi de esfuerzo desviador, mientras los valores mínimos corresponden a los valores de
8 y 10 psi . El valor mínimo del modulo resiliente es aproximadamente el 90% del valor máximo.
El contenido de humedad de las muestras ejerce una influencia apreciable sobre los resultados del
módulo resiliente, observándose menores valores para contenidos mayores de humedad.
4. CONCLUSIONES
El equipo de ensayos triaxiales dinámicos con cargas repetidas del CISMID, es una gran alternativa
para la determinación de módulos resilientes en suelos con buena sensibilidad.
Antes del inicio del ensayo, el suelo tiene una etapa de preacondicionamiento de 500 ciclos para,
eliminar los efectos en el intervalo entre la compactación y cuando se esta cargando, así como de la
eliminación de la carga inicial versus la recarga.
Los valores obtenidos son uno de los primeros que se han determinado en el Perú orientados
especialmente al diseño estructural de pavimentos, analizando suelos finos de incidencia en ceja de
selva y selva, vale decir en las carreteras de penetración de la Red Vial Nacional..
Estos resultados pueden ser insumos aplicados a métodos de resolución basados en sistemas elásticos
no lineales o el método de los elementos finitos.
El módulo resiliente de suelos cohesivos, dependen del esfuerzo desviador y del contenido de
humedad.
Los valores determinados, presentan una buena correlación con las tendencias similares a la
información recopilada.
Este trabajo permitirá desarrollar estudios para relacionar el módulo resiliente determinado mediante
ensayos directos y de caracterización de suelos para evaluar la capacidad portante.
5. REFERENCIAS
Yang H. Huang, Pavement Analysis and Design, Prentice Hall Englewood Cliffs, New Jersey, Pag.
316-369
Guía AASHTO-93, Diseño de Estructura de Pavimentos.
Standard Resilient Modulus of Unbound Granular Base/Sub base Materials and Subgrade Soils –
AASHTO. T294-92.
José Luis Castillo Aedo. Tesis de Post Grado, en la Universidad Católica de Río de Janeiro.
Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia
Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]
Ver indice
10
XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003
Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú
Laura Maria Goretti da Motta, Tesis de Doctorado en Ciencias en Ingenieria Civil, Método de
Dimensionamiento de Pavimentos Flexibles y Ensayos de Cargas Repetidas 1991, COPPE/UFRJ, Pág.,
11-39.
Ing. Silva Angelone, Fernando Martinez y Jorge Tosticarelli, Modulo Resiliente de Suelos y Materiales
no Tratados en el Diseño no estructural de Pavimentos en Argentina. 1991
A. Carrillo. Aplicaciones de Modulo Resiliente en el diseño de pavimentos flexibles, V Congreso
Nacional de asfalto 2002.
Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia
Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]
Ver indice
11