volumen vi – estudios geotécnicos para diseño de pavimentos

U.T. CRGS PITALITO
NIT. 900.034.950-3
REPUBLICA DE COLOMBIA
MINISTERIO DE TRANSPORTE
RED NACIONAL DE CARRETERAS
CONTRATO No. INV-1545-2005
EL DISEÑO, LA RECONSTRUCCION, LA PAVIMENTACION Y/O REPAVIMENTACION DE LA VIA GRUPO 55
TRAMO 1: ACEVEDO – PITALITO, TRAMO 2: RUTA 45-GUCACAYO-LALAGUNA, TRAMO 3: SAN AGUSTIN –
ESTRECHO-OBANDO
EN EL DEPARTAMENTO DE HULIA
ESTUDIOS Y DISEÑOS
VOLUMEN VI – ESTUDIOS GEOTÉCNICOS PARA DISEÑO
DE PAVIMENTOS
VERSIÓN 1
REVISADO
APROBADO
FECHA
BOGOTÁ D.C. ENERO DE 2006
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LISTA DE DISTRIBUCIÓN
El original y las copias del presente estudio han sido entregadas a las siguientes dependencias:
INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS (INVIAS), CONSORCIO V&A – GPI - CG Y UNION TEMPORAL
CRGS - PITALITO.
DEPENDENCIA
INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS INVÍAS
ORIGINAL
COPIA
1
NOMBRE INTERVENTORIA
Ing. ALBERTO MARTINEZ
Director de Interventoría
1
UNION TEMPORAL CRGS - PITALITO
Ing. PEDRO MORA
Director de Obra
1
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CONTROL DE REVISIONES Y MODIFICACIONES
ESTADO DE
REVISION Y
APROBACION
NOMBRE
CARGO
FIRMA
FECHA
REVISÓ
Ing. Roberto Gualdrón
Director de Estudios y
Diseños
28-Dic-05
ELABORÓ
Ing. Diego Reyes
Velandia
Ingeniero Especialista
Pavimentos
27-Dic-05
Observaciones:
MODIFICACIONES
FECHA
VERSIÓN
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CAMBIO
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TABLA DE CONTENIDO
LISTA DE DISTRIBUCIÓN.................................................................................................................. 2
CONTROL DE REVISIONES Y MODIFICACIONES.......................................................................... 3
1. OBJETIVOS .................................................................................................................................... 5
1.1 OBJETIVO PRINCIPAL.......................................................................................................... 5
1.2 OBJETIVOS COMPLEMENTARIOS ..................................................................................... 5
2. LOCALIZACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ................................................................... 6
3. INFORMACIÓN EXISTENTE.......................................................................................................... 8
4. TRABAJOS DE CAMPO ................................................................................................................. 9
4.1 INSPECCIÓN DE CAMPO..................................................................................................... 9
4.1.1
RUTA 45 – K6+000 ....................................................................................................... 9
4.1.2
GUACACAYO – LA LAGUNA (K0+000 – K3+000)....................................................... 9
4.1.3
GUACACAYO – K1+000 ............................................................................................. 10
4.1.4
SAN AGUSTÍN – OBANDO (TRAMOS I, II Y III) ........................................................ 10
4.1.5
PITALITO – ACEVEDO (TRAMOS I Y II).................................................................... 10
4.2 EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA DE CAMPO ...................................................................... 11
4.2.1
RUTA 45 – K6+000 ..................................................................................................... 11
4.2.2
LA Y – LA LAGUNA..................................................................................................... 11
4.2.3
LA Y – LA LAGUNA..................................................................................................... 11
4.2.4
SAN AGUSTÍN – OBANDO......................................................................................... 12
4.2.5
PITALITO – ACEVEDO ............................................................................................... 12
5. CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS ......................................................................................... 13
5.1 CAPACIDAD DE SOPORTE DE LA SUBRASANTE .............................................................. 13
5.2 MATERIALES GRANULARES EXISTENTES......................................................................... 14
5.3 MÓDULO COMBINADO DE SUBRASANTE PARA DISEÑO ................................................ 14
6. ESTUDIO DE FUENTES DE MATERIALES................................................................................. 16
6.1 FUENTES DE LOS RÍOS GUACHICOS Y MATANZAS......................................................... 16
7. ESTUDIO DE TRÁNSITO ............................................................................................................. 17
7.1 EJES EQUIVALENTES PARA DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES .............................. 17
8. DISEÑO DE PAVIMENTOS .......................................................................................................... 19
8.1 DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES ................................................................................ 19
8.1.1 DISEÑO DE PAVIMENTOS CON EL MÉTODO AASHTO .............................................. 20
8.1.2 DISEÑO DE PAVIMENTOS CON EL MÉTODO RACIONAL........................................... 22
9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES................................................................................ 25
9.1 PROCESO CONSTRUCTIVO ................................................................................................. 26
9.2 ESPECIFICACIONES DE MATERIALES................................................................................ 27
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EL PRESENTE ESTUDIO SE REALIZÓ DE ACUERDO A LAS NORMAS DEL
INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS –INVIAS- Y EN CONCORDANCIA CON EL
ANEXO TÉCNICO DE LOS PLIEGOS DE CONDICIONES DE LA LICITACIÓN
QUE DIO ORIGEN AL CONTRATO INV-1545-2005 Y A LAS OBSERVACIONES,
COMENTARIOS Y SUGERENCIAS DE LA INTERVENTORÍA, LA
CONSULTORÍA DE APOYO Y EL INVIAS.
1. OBJETIVOS
Si bien el propósito de este volumen es la determinación de los espesores de pavimento para
construcción, es posible enumerar otros objetivos complementarios que se pretende cumplir en el
desarrollo del presente estudio.
1.1 OBJETIVO PRINCIPAL
Determinar los espesores de pavimento requeridos en cada una de las vías del proyecto de
acuerdo con la demanda de tránsito esperada para el periodo de diseño y las propiedades
mecánicas y de deformación de las capas constitutivas de la estructura.
1.2 OBJETIVOS COMPLEMENTARIOS
En virtud de las exigencias contractuales del proyecto y del desarrollo técnico del mismo es
necesario cumplir los siguientes propósitos complementarios al principal:
•
Determinar la capacidad portante de la subrasante natural y de las capas de rodadura
existentes encontradas durante los estudios.
•
Evaluar, en términos de parámetros de calidad de los agregados pétreos, las fuentes de
materiales disponibles en la región para su uso en la construcción de pavimentos.
•
Establecer, para propósitos de diseño, las propiedades esfuerzo – deformación y de capacidad
de soporte de las capas granulares y asfálticas que se propone suministrar para la
construcción de los pavimentos requeridos.
•
Estimar la demanda de tránsito en términos Ejes Equivalentes para los periodos de diseño que
deban ser considerados.
•
Formular las Recomendaciones y las Especificaciones de Construcción para la alternativa de
intervención recomendada.
Se espera que el cumplimiento de los objetivos mencionados suministre la información necesaria
para la construcción de los pavimentos contratados.
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2. LOCALIZACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
Los corredores que hacen parte del Grupo 55 del Plan 2500 se localizan en el sur del
Departamento del Huila, y corresponden a las siguientes vías:
Tabla 1: Vías del Grupo 55 del Plan 2500
Corredor
Ruta 45 – K6+000
Guacacayo – La Laguna
Guacacayo – K1+000
San Agustín – Obando Tramo I (K1+300 – K2+100)
San Agustín – Obando Tramo II (K5+000 – K8+700)
San Agustín – Obando Tramo III (K10+000 – K11+600)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K4+0600 – K8+000)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K11+000 – K14+000)
Longitud (Km.)
6.0
3.0
1.0
0.8
3.7
1.6
3.4
2.6
Todos los corredores viales mencionados se encuentran en la zona de influencia del municipio de
Pitalito; la altura promedio de la región es de 1271 m.s.n.m., con una temperatura media de 22º C;
la precipitación anual es de 1500 mm por año. En términos generales, las vías del proyecto
atraviesan áreas de cultivos de maíz, caña de azúcar, café y otras actividades agrícolas, aviarias y
ganaderas. El desarrollo de la agricultura es extendido en virtud de la fertilidad de los suelos, de
origen volcánico. En el caso del municipio de San Agustín, éste se encuentra a una altura media de
1700 m.s.n.m., tiene una temperatura promedio de 19° C, y está localizado al occidente de Pitalito.
La fuente de actividad volcánica más cercana es el nevado del Puracé, localizado en el
departamento del Cauca, al occidente de la zona de estudio, y a la cual es posible atribuir la
presencia de arcillas y de arenas volantes que fueron depositadas en el área del valle de Laboyos;
por otra parte, debe señalarse que la región está afectada por la influencia de varias fuentes de
actividad sísmica distintas a los volcanes y de las cuales la más importante es el sistema de fallas
Palestina – Romeral, el cual ha presentado un incremento en sus niveles de actividad en los
últimos quince años. También es posible mencionar la presencia de la zona de subducción del
Pacífico como una de las fuentes sismo génicas que tienen influencia en el área del proyecto; debe
anotarse que el epicentro del terremoto de Páez, en 1994, se encuentra cerca del sitio en estudio.
La principal corriente hídrica que atraviesa el área es el río Magdalena, localizada al occidente de
la región de Laboyos y en cuyo valle se encuentra el alineamiento de la carretera San Agustín –
Obando, en la parte alta de la cordillera central, donde el cauce se desarrolla en rocas de origen
volcánico. El cruce del río con la vía Guacacayo – La Laguna corresponde a una zona plana de
depositación aluvial rodeada de expresiones topográficas más abruptas.
Otros ríos que tienen influencia dentro del área del proyecto bien sea por aspectos morfodinámicos
o por ser fuentes de materiales son el Manzanares, cuyo cauce transcurre cerca del alineamiento
de la carretera Bruselas – San Agustín, y el río Guachico, localizado al sur del municipio de Pitalito,
sitio en el que forma depósitos aluviales de topografía plana en la parte baja de una terraza.
Al tratarse de vías rurales que en general tienen bajas especificaciones geométricas con
pavimentos inexistentes o altamente deteriorados, en general no cuentan con obras de subdrenaje
tales como filtros laterales o longitudinales ni con cunetas para el manejo del drenaje superficial, lo
cual ha dado lugar a procesos de erosión y socavación de los afirmados en varios sitios de
pendiente longitudinal elevada.
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De acuerdo con las condiciones observadas en campo, los corredores que exhiben las menores
especificaciones geométricas en términos de sección transversal y pendiente longitudinal son
Guacacayo – La Laguna, San Agustín – Obando y Pitalito – Acevedo, los cuales deberán ser
objeto de trabajos de rectificación de curvas y ampliaciones en sectores en los que será necesario
realizar bien sea cortes o implantar muros de contención para mejorar los anchos de banca sobre
los taludes inferiores. Debe destacarse que en la vía Pitalito – Acevedo se han presentado
fenómenos activos de remoción en masa favorecidos tanto por la disposición estructural de los
suelos residuales como por la presencia de cultivos de café en la parte alta de las laderas, varias
de las cuales exhiben evidencias de movimientos recientes que son estables por resistencia
residual.
El proyecto busca determinar los espesores de pavimento que, por conveniencia técnica y
económica, deben ser implantados en cada uno de los corredores viales mencionados; en general
se busca que los espesores resulten suficientes para que la estructura a conformar en la etapa de
construcción pueda cumplir su periodo de diseño recurriendo solamente a tareas de mantenimiento
rutinario y bacheos localizados; lo anterior es posible, en presencia de los espesores adecuados,
con el suministro de materiales que proporcionen la durabilidad requerida y con la imposición de
las obras de drenaje y subdrenaje apropiadas.
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3. INFORMACIÓN EXISTENTE
Para el desarrollo del presente estudio se efectuó la consulta de los siguientes documentos e
información general:
• Informe de Revisión de Diseño de Pavimentos de la Variante de Pitalito. Ingeandes S.A.
Octubre de 2001.
• Revisión del Diseño de Pavimentos Variante Pitalito. Héctor Castillo González. Febrero de
2002.
• Diseño de Mezclas Asfálticas por el Método Marshall para el Proyecto de la Variante Pitalito.
Planta Multilago. Marzo de 2005.
• Atlas de Colombia. Editorial Bedout. 1998
• Código Colombiano de Construcciones Sismorresistentes NSR-98. Asociación Colombiana de
Ingeniería Sísmica. 1998.
• Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes CCDSP-96. Instituto Nacional de Vías –
ACIS. 1995.
De la información anterior se destaca la de ejecución de obra en la carretera Variante Pitalito, toda
vez que incluye resultados de pruebas de laboratorio de agregados procedentes de varias de las
fuentes de materiales que pueden ser consideradas para la construcción de las vías del Grupo 55.
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4. TRABAJOS DE CAMPO
Se realizó y cumplió una programación de trabajos de campo que permitió efectuar un
reconocimiento de las condiciones particulares de tránsito, rasante actual y drenaje, entre otras,
que afectan en la actualidad cada uno de los corredores viales contratados; de forma simultánea
se llevó a cabo la exploración geotécnica para el diseño de pavimentos.
4.1 INSPECCIÓN DE CAMPO
Esta actividad se llevó a cabo los días 29 y 30 de Septiembre, haciendo un registro de los
elementos que tienen mayor influencia en la estabilidad de la estructura de pavimento en cada una
de las vías; dichos elementos son lo siguientes:
4.1.1
RUTA 45 – K6+000
Se considera que al menos en los primeros tres kilómetros, que transcurren a lo largo de una
topografía relativamente plana, es necesario subir el nivel de rasante actual; en dicho tramo se
encontraron sectores pavimentados con tratamientos superficiales entre las abscisas K0+100 y
K0+850 aproximadamente, los cuales se encuentran deteriorados por pérdida de la carpeta y por
baches, y presencia de piel de cocodrilo. Así mismo se encontró una zona en terraplén entre las
abscisas K0+850 y K1+080 en la que las zonas bajas, conformadas por suelos limoarcillosos, se
encuentran muy húmedas y saturadas. También se encontraron zonas laterales de alta humedad
entre las abscisas K1+200 y K1+700, las cuales deben ser manejadas con filtros longitudinales; los
sectores que carecen de carpeta asfáltica se encuentran en afirmado.
El tramo final en terreno ondulado se inicia en el K3+000 aproximadamente, sitio que coincide con
el comienzo de otro sector también pavimentado con un tratamiento superficial doble que exhibe
un estado superficial aceptable. A lo largo del tramo K3+000 y hasta el final, en el K6+000, el
pavimento exhibe distintos niveles de conservación, afectados básicamente por saturación de los
suelos de subrasante. Entre las abscisas K4+870 – K5+200 es posible observar que la falta de
manejo de la escorrentía superficial ha ocasionado erosión en surcos de la estructura del
pavimento a lo largo de la pendiente longitudinal en el tramo mencionado.
De acuerdo con lo observado, es necesaria la instalación de cunetas para el manejo de la
escorrentía superficial, y de filtros para facilitar el drenaje de la estructura del pavimento y reducir la
posibilidad de infiltración de aguas hacia ésta, especialmente en los últimos tres kilómetros del
proyecto.
Por ultimo, se encontró que la vía no está afectada por volúmenes significativos de tránsito; no
obstante, debe advertirse que tales volúmenes pueden incrementarse durante las épocas de
cosecha en la región. En general se observó el paso de buses, de camiones de dos y tres ejes, y
de vehículos pequeños de servicio público y particular.
4.1.2
GUACACAYO – LA LAGUNA (K0+000 – K3+000)
A lo largo de todo el recorrido la vía exhibe una superficie en afirmado, al parecer material de
cantera que ha sido explotado en el área del proyecto; la presencia de cultivos y de suelos
coluviales relativamente permeables y de cortes en cajón que se presentan de forma alternada a lo
largo del recorrido hacen necesaria la colocación de cunetas y filtros longitudinales a lo largo de la
vía, en la pata de los taludes involucrados. Toda vez que la sección transversal es escasa en
algunos tramos, deberá efectuarse una ampliación que requerirá de la utilización de pedraplén
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para la estabilización de la subrasante; los tramos que pueden requerir de esta solución están
entre las abscisas K0+660 – K0+720 y K1+300 – K1+460, principalmente, aunque es posible que
deba realizarse una sobreexcavación en otros sitios de ampliación, básicamente en suelos
coluviales, para implantar una estructura granular similar a la existente. Lo anterior también es
aplicable a todas las zonas en las cuales es necesario efectuar rectificaciones de curvas.
Como una particularidad de la vía se encontraron antiguos frentes de explotación de agregados, de
los cuales es posible observar uno en el talud superior a la vía en el K2+000, con una altura de
escarpe de unos 8.0 m aproximadamente; también se localizó otra cantera más allá de la abscisa
final de proyecto, la cual no puede seguir siendo explotada en virtud a que su corona afecta ya el
alineamiento de la carretera.
Se considera que la estructura de pavimento a construir a lo largo del proyecto podrá ser colocada
sobre la rasante actual de la vía.
4.1.3
GUACACAYO – K1+000
Se trata del tramo final de la carretera que conduce de la Ruta 45 al municipio de Guacamayo, y en
el que es posible observar que la topografía sobre la que está colocada la vía es plana a ondulada,
variando entre estas condiciones desde el inicio hasta el final; la sección transversal es amplia a lo
largo de todo el corredor. Es posible observar que en su condición actual la vía se encuentra
afectada por problemas de infiltración de aguas tanto de escorrentía como de consumo humano y,
probablemente, servidas. Al igual que en las vías descritas hasta el momento, se requiere de la
instalación de filtros longitudinales y de cunetas para el manejo de la escorrentía superficial.
La estructura de pavimento a construir podrá ser colocada empleando la superficie de vía actual
como subrasante del proyecto.
4.1.4
SAN AGUSTÍN – OBANDO (TRAMOS I, II Y III)
A lo largo de los tres tramos es posible encontrar sectores alternados de subrasante rocosa con
suelos de origen volcánico de consistencia dura, probablemente con comportamiento tixotrópico;
bajo estas condiciones, es posible indicar que la capacidad de soporte de la subrasante es alta y
que es posible imponer la estructura de pavimento requerida sobre la rasante actual; no obstante lo
anterior, será necesario colocar un mejoramiento de subrasante en las zonas de ampliación y en
las rectificaciones de curva y alineamientos que coincidan con suelos, como es el caso del Tramo I,
y de los sectores K5+540, K5+980, K7+000, K7+900 y K8+260 del Tramo II. En el Tramo III podrá
ser necesaria la ampliación en tramos cortos, los cuales también requerirán de la utilización de un
mejoramiento de subrasante en las zonas resultantes de los cortes.
Las vías requieren de la construcción de filtros longitudinales en la pata de los taludes de corte, y
cunetas para el manejo de la escorrentía superficial en presencia de las pendientes existentes.
4.1.5
PITALITO – ACEVEDO (TRAMOS I Y II)
La vía, en el primer tramo, está construida sobre sectores alternados de roca y de suelo residual
arenoarcilloso sobre los cuales se extendió un afirmado; deberán efectuarse ampliaciones en los
sectores K1+600 y K3+300 al menos, en las cuales se encontrarán suelos residuales saturados.
Bajo estas condiciones, las zonas de ampliación requerirán de la colocación de un mejoramiento
de subrasante que permita extender sobre él y sobre la rasante actual la estructura de pavimento
requerida. Se requieren cunetas y filtros cuando menos en las patas de los taludes de corte.
La condición de subrasante del Tramo II es similar a la descrita para el Tramo I, pero es posible
observar que la vía está sometida a mayores caudales de infiltración procedentes de los cultivos de
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café que se desarrollan en las laderas y que han dado lugar a procesos manifiestos de remoción
en masa; se considera que además de filtros y cunetas el proyecto requiere de la construcción de
disipadores de energía que reduzcan la naturaleza torrencial de varias de las cañadas que existen
en el corredor. La condición de la vía permite la construcción de la estructura de pavimento sobre
la rasante actual.
4.2 EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA DE CAMPO
En atención de lo establecido en los términos de referencia se realizó la excavación de sondeos y
apiques para la caracterización de los suelos de subrasante y de las capas constitutivas de los
pavimentos existentes en las vías en estudio. La separación entre cada sitio de exploración es de
250 m a lo largo de los corredores contratados, alcanzándose una profundidad máxima de 1.50 m
por debajo de los niveles de rasante actuales.
La exploración de campo permitió establecer el perfil estratigráfico de las vías en cada uno de los
sitios en los que se efectuaron los sondeos; la información recolectada en campo incluye los
espesores mínimos de capas granulares que pueden ser consideradas, para efectos de diseño,
como mejoramiento de la subrasante natural. Además de lo anterior se efectuó la recuperación de
muestras para CBR inalterado de suelos finos, donde esto fue posible, y de los materiales
granulares que hacen las veces de afirmado para su uso en pruebas de relación humedad –
densidad seca con el método Proctor Modificado y de CBR de laboratorio bajo condiciones de
humedad óptima.
Los rasgos estratigráficos detectados en cada uno de los corredores en estudio se presentan a
continuación:
4.2.1
RUTA 45 – K6+000
Las carpetas asfálticas se detectaron entre las abscisas K0+100 - K0+850 y K3+000 – K6+000 y
presentaron espesores variables entre 5.0 cm. y 10.0 cm; los espesores de capas granulares
encontrados varían entre 10.0 cm. y 65.0 cm, éstos últimos correspondientes a sectores en
terraplén, y se encuentran expuestos en los sectores distintos a los de las abscisas mencionadas.
Por debajo de los granulares y hasta la profundidad de exploración se encontraron arcillas de
consistencia media a firme, probablemente de origen volcánico, y con contenidos de humedad
variables entre baja y media, condición que está determinada por la localización de la vía en
relación con zonas bajas saturadas, de cultivo, taludes, y con la ausencia de una superficie de
rodadura impermeable en varios de los tramos del proyecto.
4.2.2
LA Y – LA LAGUNA
En este tramo se detectaron espesores de capas granulares, a manera de afirmado, con
espesores variables entre 10.0 cm. y 25.0 cm., extendidos sobre suelos limosos de consistencia
blanda y que por lo general se encuentran saturados. Al igual que el tramo Ruta 45 – K6+000, es
posible que los suelos naturales detectados sean de origen volcánico; de acuerdo con lo
observado, en varios de los cortes viales afloran rocas de origen ígneo, de tal suerte que el manto
rocoso en gran parte del recorrido es poco profundo con respecto a la rasante de la vía.
4.2.3
LA Y – LA LAGUNA
Se encontraron granulares con espesor variable entre 8.0 cm. y 40.0 cm., extendidos a manera de
afirmado a lo largo de todo el corredor; por debajo de estos materiales se encontraron suelos
limosos y arcillosos de consistencias blandas a medias, alternados a lo largo del recorrido con
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arenas de compacidad media a alta. En algunos sitios se detectaron condiciones de alta humedad
en los suelos de subrasante natural.
4.2.4
SAN AGUSTÍN – OBANDO
La exploración de campo permitió detectar espesores de material granular variable entre 8.0 cm. y
60.0 cm., extendidos a manera de afirmado sobre arcillas y limos de consistencia blanda a media,
probablemente de origen volcánico, y arenas de compacidad variable entre baja y media, suelos
que por lo general se encuentran saturados. Los cortes viales muestran, en varios sectores, la
presencia de rocas de origen ígneo expuestas en los taludes, lo cual indica que el manto rocoso es
somero con respecto al nivel de rasante actual de la vía.
4.2.5
PITALITO – ACEVEDO
De acuerdo con lo establecido mediante sondeos y apiques el espesor de material granular de
afirmado en la vía es variable entre 5.0 cm. y 40.0 cm., los cuales están dispuestos sobre arcillas y
limos de consistencia variable entre baja y media, y sobre arenas de compacidad media a alta; en
algunos sitios se detectó el macizo rocoso inmediatamente por debajo de los granulares de
afirmado.
Se considera que en todas la vías del Grupo 55 es posible la colocación de la estructura de
pavimentos sobre los granulares de afirmado existentes en los corredores.
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5. CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS
Las propiedades mecánicas de las capas granulares de afirmado y de los suelos de subrasante se
examinaron por medio de pruebas de resistencia y deformación en laboratorio; los resultados de
los ensayos efectuados y los parámetros de diseño que pueden ser estimados a partir de ellos se
discuten a continuación:
5.1 CAPACIDAD DE SOPORTE DE LA SUBRASANTE
Los suelos de subrasante natural fueron examinados con pruebas de humedad natural, gradación,
límites de consistencia y, para propósitos de diseño de pavimentos, con ensayos de CBR sobre
muestras inalteradas; la penetración se realizó para la humedad natural del terreno y luego de
saturación durante cuatro días, con medición de expansión, para estimar la susceptibilidad de la
subrasante ante el humedecimiento.
Los valores mínimos y máximos de los resultados de los ensayos de laboratorio efectuados sobre
los suelos de subrasante, en cada una de las vías del proyecto, se presentan a continuación:
Tabla 2: Mínimos y máximos de los resultados de los ensayos de laboratorio sobre suelos
de subrasante
LL
LP
IP
CBR
n
Corredor
Ruta 45 – K6+000
Guacacayo – La Laguna
Guacacayo – K1+000
San Agustín – Obando Tramo I (K1+300 – K2+100)
San Agustín – Obando Tramo II (K5+000 – K8+700)
San Agustín – Obando Tramo III (K10+000 – K11+600)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K4+0600 – K8+200)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K11+000 – K14+600)
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
6.4 – 43.7
19.0 – 42.1
30.1 – 44.5
7.3 - 47.6
17.8 – 64.6
10.2 – 51.6
6.7 – 29.5
7.3 – 28.9
23.0 – 63.3
26.9 – 68.8
21.6 – 45.2
48.1 – 70.5
23.8 – 62.4
23.3 – 51.3
21.3 – 42.6
18.8 – 39.5
17.8 – 37.3
19.1 – 37.9
20.4 – 35.6
28.7 – 45.3
18.4 - 39.6
19.8 – 38.8
16.9 – 33.5
15.9 – 29.6
5.25 - 31.6
5.24 – 24.7
7.71 – 25.6
14.8 – 23.5
8.03 – 27.4
3.49 – 15.2
2.4 – 10.2
2.9 – 10.8
4.2 – 6.4
4.2 – 7.5
3.5 – 6.1
4.5 – 5.0
4.5 – 8.7
4.5
4.7 – 8.8
3.3 – 5.5
El valor del CBR de subrasante para diseño corresponde al del percentil 87.5 de los resultados
obtenidos para cada una de las vías del Grupo 55; para este valor se estima el módulo resiliente de
subrasante por medio de la expresión E(kg/cm2)=100xCBR(%), desarrollada por la Shell. Con lo
anterior, los parámetros de subrasante para diseño de pavimentos son los siguientes:
Tabla 3: Valores de CBR de diseño y módulos resilientes de subrasante
CBRdiseño
Mr
Corredor
Ruta 45 – K6+000
Guacacayo – La Laguna
Guacacayo – K1+000
San Agustín – Obando Tramo I (K1+300 – K2+100)
San Agustín – Obando Tramo II (K5+000 – K8+700)
San Agustín – Obando Tramo III (K10+000 – K11+600)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K4+0600 – K8+000)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K11+000 – K14+600)
(%)
4.4
4.3
3.8
4.5
4.5
4.5
5.5
3.5
(MPa)
44
43
38
45
45
45
55
35
Los resultados de los ensayos de humedad y límites de consistencia se presentan en el Apéndice
A, mientras que los registros de las pruebas de CBR inalterado corregido se presentan en el
Apéndice B del presente documento.
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5.2 MATERIALES GRANULARES EXISTENTES
Se tomaron muestras de suelos granulares existentes en la vía como material de afirmado para
determinación de la relación densidad seca – humedad mediante pruebas de compactación con el
método Proctor Modificado; una vez determinado el valor de humedad óptima se realizó un ensayo
de CBR de laboratorio para establecer la capacidad de soporte de estos materiales. Además se
efectuaron ensayos de densidad en el terreno para establecer, con base en los datos de
compactación en el laboratorio, el valor del CBR que exhibe actualmente el terreno, con miras a
estimar la capacidad de soporte de granulares y subrasante natural combinada.
Los valores límite de densidades secas máximas de laboratorio para la humedad óptima
establecida y para la densidad de terreno con cono de arena son los siguientes:
Tabla 4: Mínimos y máximos de densidades secas de laboratorio
óptima
d lab
Corredor
3
Ruta 45 – K6+000
Guacacayo – La Laguna
Guacacayo – K1+000
San Agustín – Obando Tramo I (K1+300 – K2+100)
San Agustín – Obando Tramo II (K5+000 – K8+700)
San Agustín – Obando Tramo III (K10+000 – K11+600)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K4+0600 – K8+200)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K11+000 – K14+600)
d terreno
3
(%)
(lb/pie )
(lb/pie )
7.5 – 10.3
8.8 - 9.1
8.8
11.1
10.8 – 11.2
7.4 – 11.7
9.8 – 10.7
10.5 – 10.8
126.7 – 134.3
125.0 – 126.7
125.8
125.8
124.9 – 125.4
126.9 – 133.2
125.5 – 126.8
124.6 – 127.6
114.1 – 126.3
117.4 – 123.2
112.3 – 124.3
116.5 – 120.6
114.0 – 125.4
118.0 – 130.7
102.5 – 122.3
93.7 – 120.3
Considerando que es posible la construcción de la estructura de pavimentos sobre los granulares
existentes en la vía, es posible estimar el valor del CBR de los granulares con base en la densidad
de terreno y los resultados de las pruebas de compactación en laboratorio (CBR Método I). Con
este último resultado para todas las densidades de terreno efectuadas se calcula el valor del CBR
para el percentil 87.5, con el cual puede estimarse el módulo de elasticidad de los granulares
empleando la figura 2.7 del documento AASHTO Guide for Design of Pavement Structures de
1993, la cual correlaciona el valor del CBR corregido con el módulo de elasticidad del una subbase
granular.
Con lo anterior, los parámetros de diseño con los granulares existentes en cada una de las vías
son los siguientes:
Tabla 5: Parámetros de diseño de los granulares existentes
CBR87.5
Corredor
Ruta 45 – K6+000
Guacacayo – La Laguna
Guacacayo – K1+000
San Agustín – Obando Tramo I (K1+300 – K2+100)
San Agustín – Obando Tramo II (K5+000 – K8+700)
San Agustín – Obando Tramo III (K10+000 – K11+600)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K4+0600 – K8+200)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K11+000 – K14+600)
(%)
30.0
23.0
12.0
29.5
18.0
29.5
13.1
12.0
Egran
(MPa)
98.0
91.0
77.0
105.0
87.5
105.0
83.0
77.0
Las capas granulares existentes deberán ser reconformadas, incluso con adición de material de
subbase o de afirmado, para garantizar que se alcancen los niveles de compactación y valores de
CBR previstos en las pruebas de laboratorio.
5.3 MÓDULO COMBINADO DE SUBRASANTE PARA DISEÑO
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Una vez establecidos los módulos de subrasante y de los granulares existentes es posible estimar
el módulo combinado de cada una de las estructuras existentes, previendo que éstas servirán
como soporte de los pavimentos a construir; para lo anterior se emplea, además de los datos
obtenidos anteriormente, el espesor mínimo de capas granulares encontrado en la exploración de
campo. El módulo combinado se establece mediante la expresión de Ivanov:
E1−2 =
E2
1−
2
π
(1 −
h
1
) arctan(n 1 )
3.5
2a
n
donde:
n = 2.5
E1
E2
En esta expresión E1-2 es el módulo combinado de subrasante, E2 es el módulo resiliente del
terreno natural y E1 es el de los granulares; h1 es el espesor de granulares y a es el radio de carga
que, para este caso, se asume como de 10.8 cm.
El valor del módulo combinado de subrasante mejorada con los granulares existentes en cada una
de las vías se presenta a continuación:
Tabla 6: Módulos de subrasante mejorada para diseño
Hgran
Corredor
Ruta 45 – K6+000
Guacacayo – La Laguna
Guacacayo – K1+000
San Agustín – Obando Tramo I (K1+300 – K2+100)
San Agustín – Obando Tramo II (K5+000 – K8+700)
San Agustín – Obando Tramo III (K10+000 – K11+600)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K4+0600 – K8+200)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K11+000 – K14+600)
(m)
0.20
0.10
0.10
0.15
0.15
0.15
0.10
0.05
Emej
(MPa)
72
56
49
68
63
68
65
40
Los resultados presentados en esta tabla se utilizarán tanto para el diseño de pavimentos flexibles
como para el de pavimentos rígidos.
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6. ESTUDIO DE FUENTES DE MATERIALES
Se examinaron fuentes de materiales de cantera y aluviales con las que se cuenta en el área de
influencia de los municipios de Pitalito y San Agustín, las cuales se utilizarán para suministrar
subbases y bases granulares, y para la producción de mezclas asfálticas y concretos. La ubicación
y características de los materiales rocosos de cada fuente estudiada se presentan y discuten a
continuación.
6.1 FUENTES DE LOS RÍOS GUACHICOS Y MATANZAS
La fuente del río Guachicos se localiza al sur del municipio de Pitalito; se trata de una playa aluvial
de la que es posible explotar cantos rodados de origen ígneo y metamórfico para trituración; por su
parte la fuente Matanzas se localiza en la margen izquierda de la carretera Pitalito San Agustín,
siendo posible la extracción de material transportado de río, incluyendo arenas.
De acuerdo con la información preliminar recopilada, los agregados que se explotan en las fuentes
mencionadas presentan los siguientes pesos específicos promedio:
• Arenas del río Guachicos (Pasa N° 4)
• Gravas del río Guachicos (Retenido en N° 4)
• Llenante del río Matanzas
2.56
2.72
2.64
La misma información acopiada incluye los resultados del diseño Marshall utilizado para la
pavimentación de la Variante Pitalito, empleando los agregados de las fuentes mencionadas; la
dosificación empleada en dicho diseño corresponde a un 32% de triturado, a 48% de arena, ambos
procedentes de la fuente del río Guachicos, y un 20% de filler de Matanzas.
De acuerdo con los resultados de las pruebas efectuadas por el Contratista para la ejecución del
diseño Marshall, la mezcla obtenida exhibió las siguientes características:
•
•
•
•
•
•
Contenido Óptimo de Asfalto:
Peso Unitario:
Estabilidad:
Flujo:
Vacíos en Mezcla Total:
Vacíos en Agregados Minerales:
6.0%
2.26 gr/cm3
1001 Kg.
2.40 mm
5.04%
19.1%
Considerando los parámetros de resistencia de la mezcla asfáltica es posible indicar que los
agregados de las fuentes consideradas permiten obtener concretos bituminosos que se adaptan a
las exigencias de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del instituto
Nacional de Vías.
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7. ESTUDIO DE TRÁNSITO
Para efectos del diseño estructural del pavimento es necesaria la determinación del Número de
Ejes Equivalentes de 8.2 t en el periodo de diseño, para el caso de pavimentos flexibles, y del
Número de Repeticiones por Tipo de Eje esperados para el tiempo de vida útil de la estructura en
el caso de pavimentos rígidos, de acuerdo con lo establecido por la metodología de la Portland
Cement Association de 1984.
La estimación de los parámetros de tránsito mencionados se basa en los resultados del Estudio de
Tránsito, Capacidad y Niveles de Servicio, Volumen I, del proyecto, el cual incluyó la proyección del
número total de pasos de cada tipo de vehículo considerado para periodos de 10 y 20 años,
aplicables al diseño de pavimentos flexibles y de pavimentos rígidos, respectivamente.
7.1 EJES EQUIVALENTES PARA DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
Las proyecciones de tránsitos prevén que, para un periodo de diseño de 10 años, se tendrán los
volúmenes acumulados por tipo de vehículo en cada una de las vías del Grupo 55:
Tabla 7: Volúmenes de tránsito acumulados en 10 años por vehículo
BUSES
C2P
C2G
C3 C4 C5
Corredor
Ruta 45 – K6+000
Guacacayo – La Laguna
Guacacayo – K1+000
San Agustín – Obando Tramo I (K1+300 – K2+100)
San Agustín – Obando Tramo II (K5+000 – K8+700)
San Agustín – Obando Tramo III (K10+000 – K11+600)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K4+0600 – K8+200)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K11+000 – K14+600)
36040
32419
29294
96119
96119
96119
68227
68227
36040
46683
43300
39210
39210
39210
135090
135090
32436
25935
43300
21352
21352
21352
85966
85966
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
>C5
0
0
0
0
0
0
0
0
Para efectos del cálculo del Número de Ejes Equivalentes, NEE, se emplean los factores de daño
determinados por la Universidad del Cauca para las cargas que circulan por las carreteras de la
Red Vial Nacional, los cuales corresponden a los siguientes valores:
Tabla 8: Factor de daño por tipo de vehículo
Factor de Daño
Tipo de Vehículo
(FD)
Buses
Camión C2P
Camión C2G
Camión C3
Camión C4
Camión C5
Camión >C5
1.00
1.14
3.44
3.76
3.42
4.40
4.72
Así las cosas, la información anterior permite establecer el valor del Número de Ejes Equivalentes
de 8.2 t, NEE, mediante la expresión:
n
NEE = FDD∑ N i ( FD) i
i =1
En esta fórmula, FDD es el factor de distribución direccional, Ni es el número de repeticiones
acumuladas esperadas por tipo de vehículo en el periodo de diseño, FDi es el factor de daño
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correspondiente a cada tipo de automotor comercial considerado, y n es el número de tipos de
vehículos comerciales. Una vez realizados los cálculos se obtienen los siguientes valores de
Número de Ejes Equivalentes de 8.2 t para diseño de pavimentos flexibles.
Tabla 9: Número de Ejes Equivalentes para diseño
Corredor
NEE8.2t
Ruta 45 – K6+000
Guacacayo – La Laguna
Guacacayo – K1+000
San Agustín – Obando Tramo I (K1+300 – K2+100)
San Agustín – Obando Tramo II (K5+000 – K8+700)
San Agustín – Obando Tramo III (K10+000 – K11+600)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K4+0600 – K8+200)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K11+000 – K14+600)
5
1.81x10
5
1.75x10
5
2.28x10
5
2.14x10
5
2.14x10
5
2.14x10
5
4.96x10
5
4.96x10
En todos los casos anteriores se empleó un factor de distribución direccional FDD de 1.0 en virtud
de que la sección transversal de cada uno de los corredores es estrecha y los vehículos tienden a
circular sobre el centro de la calzada. El cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 t se
presenta en el Apéndice C de este documento.
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8. DISEÑO DE PAVIMENTOS
De acuerdo con lo establecido en los términos contractuales del proyecto es necesario presentar
cuando menos dos alternativas de estructura de pavimentos para cada una de las vías que hacen
parte del Grupo 55 del Plan 2500. En este caso se propone efectuar el diseño de dos alternativas
de pavimento flexible que difieren entre sí en los espesores de la estructura granular y del concreto
asfáltico requerido.
En ambos casos se propone la determinación de los espesores de diseño de pavimentos a través
del método AASHTO de 1993, con una comprobación de los espesores requeridos por medio del
chequeo de esfuerzos y deformaciones elásticas. La metodología empleada en cada uno de los
casos mencionados se describe a continuación.
8.1 DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
El dimensionamiento de las capas de pavimento, independientemente del método de diseño que
se adopte, requiere de la determinación de las propiedades elásticas y de resistencia de cada una
de ellas o, en su defecto, que las mezclas de material cumplan con las exigencias mínimas de
calidad establecidas por la entidad contratante o por las Especificaciones de Construcción
vigentes.
En pavimentos flexibles es necesario determinar el módulo de elasticidad de la carpeta asfáltica y
de los granulares de base y de subbase; en el caso de las mezclas asfálticas el valor del módulo
de elasticidad dependerá de la temperatura ambiente anual MAAT del aire propia de cada una de
las zonas en las que se encuentran las vías del proyecto.
En el caso de las capas asfálticas es posible establecer su módulo de elasticidad para diseño, en
función de la temperatura, por medio de los nomogramas presentados en la metodología Shell de
1977; estos nomogramas permiten establecer el módulo dinámico de la mezcla en función de las
propiedades del asfalto presente en ella, de los volúmenes de agregado y de bitumen, de la
temperatura del aire y de la frecuencia de aplicación de cargas, que la Shell propone como de 8 Hz
y es la adoptada en el presente estudio.
Para los diseños a realizar se presentarán dos módulos dinámicos de mezcla: el primero será el
correspondiente a una temperatura de 20° C, requerido para el diseño por medio de la metodología
AASHTO y, el segundo, será el establecido para la temperatura propia de la región en estudio y
que se aplica al diseño con chequeo de esfuerzos y deformaciones elásticas. En ambos casos el
valor del módulo dinámico proviene de los nomogramas Shell.
Se adopta una dosificación de mezcla asfáltica conformada por 84% de agregados y por 11% de
asfalto, ambos en volumen; también se recurrió a las características del asfalto de Apiay, el cual
tiene una penetración a 25° C de 72/100 mm y un punto de ablandamiento de 48.6° C. Con esta
información se calculó el valor del índice de penetración IP con las expresiones:
A=
log( P) − log 800
T pen − T800
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IP =
20 − 500 A
1 + 50 A
En estas expresiones A es la susceptibilidad a la temperatura del asfalto, P es la penetración a 25°
C (Tpen), y T800 es el punto de ablandamiento del asfalto; con la información anterior se estableció
que el índice de penetración del asfalto es igual a -0.68.
Para este valor, con las temperaturas medias de cada uno de los sitios y para 20° C, y con la
dosificación de mezcla adoptada, se determinaron los siguientes módulos dinámicos de mezcla
asfáltica empleando los nomogramas de Van der Poel y de Bonnaure (Shell, 1977) para la
estimación de los módulos de bitumen y concretos asfálticos, respectivamente:
Tabla 10: Módulos dinámicos de mezcla asfáltica según Shell
Módulo
Módulo del
Temperatura
Corredor
Dinámico
Bitumen
(° C)
(MPa)
(MPa)
Módulo dinámico a 20° C para diseño AASHTO
Ruta 45 – K6+000
Guacacayo – La Laguna
Guacacayo – K1+000
San Agustín – Obando Tramo I (K1+300 –
K2+100)
San Agustín – Obando Tramo II (K5+000 –
K8+700)
San Agustín – Obando Tramo III (K10+000 –
K11+600)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K4+0600 – K8+200)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K11+000 – K14+600)
20
22
22
22
20
16
16
16
3200
2800
2800
2800
19
22
3300
19
22
3300
19
22
3300
22
22
16
16
2800
2800
Por otra parte, es posible establecer los módulos de elasticidad para materiales de base y subbase
granular por medio de las correlaciones propuestas por la AASHTO en función del valor de CBR de
cada una de estas capas; de acuerdo con las figuras 2.6 y 2.7 de la guía de diseño AASHTO de
1993 es posible obtener los siguientes valores de módulo de elasticidad:
Tabla 11: Módulos de elasticidad para capas granulares
Módulo de
CBR mínimo
Capa
Elasticidad
(%)
(MPa)
Subbase Granular
Base Granular
20
80
91
180
Los valores de CBR presentados corresponden a los mínimos exigidos por los Artículos 320 y 330
de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del Instituto Nacional de Vías
para subbase y para base granular, respectivamente.
8.1.1 DISEÑO DE PAVIMENTOS CON EL MÉTODO AASHTO
Para efectos del diseño de pavimentos se adoptó la metodología de diseño de la American
Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), publicada en el año 1993 y
que involucra variables tales como la capacidad de soporte de la subrasante natural, la variabilidad
del tránsito y la confiabilidad, además de la capacidad estructural de cada capa del pavimento,
para determinar los espesores requeridos para el periodo de diseño seleccionado.
El método de diseño propuesto por la AASHTO incorpora no solo los modelos considerados en
1972, sino que amplía aún más la estructura de análisis al incluir 14 nuevas consideraciones entre
las que cabe mencionar la confiabilidad del diseño, los módulos elásticos de la subrasante y las
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capas de pavimento, el drenaje, los efectos ambientales, la rehabilitación, aspectos económicos, la
administración de pavimentos y el estado del conocimiento en los diseños de tipo mecanístico
empírico.
Según el método de diseño de la AASHTO, en función del número de ejes equivalentes en el
período de diseño, el número estructural, la pérdida de serviciabilidad en el tiempo y del módulo de
resiliencia de la subrasante, se tiene la siguiente relación:
∆PSI
4.2 − 1.5 + .32 LogM − 8.07
LogW18 = ZrS0 + 9.36 Log ( SN + 1) − 0.2 +
R
1094
0.40 +
( SN + 1)5.19
Log
Donde:
W18
=
Cantidad de ejes equivalentes de 8.2 Toneladas (80 KN)
ZR
=
Desviación estándar normal
S0
=
Error estándar combinado de la predicción del tránsito y de la predicción del
comportamiento
PSI =
Pérdida de serviciabilidad
MR
=
Módulo de resiliencia de la subrasante (Lb/plg2)
SN
=
Número estructural determinado por la expresión:
SN
= a1D1 + a2D2m2 + a3D3m3
En esta expresión:
ai
=
Coeficiente estructural de la capa i (1/plg)
Di
=
Espesor de la capa i (plg)
mi
=
Coeficiente de drenaje de la capa granular i.
El Coeficiente estructural de cada capa de pavimento es función de su módulo de elasticidad, y en
el caso de los materiales granulares puede ser estimado por medio de las siguientes expresiones:
Para Subbases granulares:
a3 = 0.227log(E1(psi))-0.839
Para Bases granulares:
a2 = 0.249log(E2(psi))-0.977
Para el módulo dinámico de mezcla asfáltica establecido para una temperatura de 20° C, de 3200
MPa, el coeficiente de aporte estructural a1 es de 0.42; para los casos de la base granular, en
ausencia de la subbase, se adoptó un coeficiente de drenaje m2 de 0.80 en virtud de que, desde el
punto de vista del diseño, es la primera capa del pavimento que se encuentra inmediatamente por
encima de la subrasante existente.
El diseño se hace de forma iterativa, modificando los espesores hasta que los valores de log10W18
calculados con la ecuación anterior y tomando directamente el logaritmo coincidan o el primero de
ellos sea superior al segundo.
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Con base en las recomendaciones de la guía de diseño de la AASHTO se adoptó para todas las
vía del proyecto, catalogadas como locales rurales, una confiabilidad del 90%; para este valor la
misma agencia recomienda una desviación normal Zr de -0.674. Se adopta, para los cálculos, un
error estándar combinado de 0.35. Con esta información y una vez aplicado el método de diseño
se establecieron los siguientes espesores de diseño, considerando como módulo de subrasante el
valor del módulo combinado de subrasante natural y granulares existentes estimado en el numeral
5.3 del presente estudio:
Tabla 12: Espesores de diseño de la Alternativa 1 según el método AASHTO
Espesores (cm.)
Corredor
Emej
(MPa)
MDC-2
72
56
49
68
63
68
65
40
10.0
10.0
10.0
10.0
10.0
10.0
10.0
13.0
Ruta 45 – K6+000
Guacacayo – La Laguna
Guacacayo – K1+000
San Agustín – Obando Tramo I (K1+300 – K2+100)
San Agustín – Obando Tramo II (K5+000 – K8+700)
San Agustín – Obando Tramo III (K10+000 – K11+600)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K4+0600 – K8+200)
Pitalito – Acevedo Tramo II (K11+000 – K14+600)
Base
Granular
20.0
22.0
27.0
20.0
20.0
20.0
30.0
30.0
Subbase
Granular
-
Tabla 13: Espesores de diseño de la Alternativa 2 según el método AASHTO
Espesores (cm.)
Corredor
Emej
(MPa)
MDC-2
72
56
49
68
63
68
65
40
11.0
13.0
12.0
11.0
12.0
11.0
13.0
16.0
Ruta 45 – K6+000
Guacacayo – La Laguna
Guacacayo – K1+000
San Agustín – Obando Tramo I (K1+300 – K2+100)
San Agustín – Obando Tramo II (K5+000 – K8+700)
San Agustín – Obando Tramo III (K10+000 – K11+600)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K4+0600 – K8+200)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K11+000 – K14+600)
Base
Granular
15.0
15.0
15.0
15.0
15.0
15.0
15.0
16.0
Subbase
Granular
-
Los cuadros de cálculo de los espesores empleando la metodología AASHTO 93 se presentan en
el Apéndice D al final de este documento.
8.1.2 DISEÑO DE PAVIMENTOS CON EL MÉTODO RACIONAL
Se llevó a cabo un chequeo de esfuerzos y deformaciones admisibles para los espesores
anteriormente determinados; las solicitaciones verificadas obedecen a los módulos de elasticidad y
de subrasante combinado empleados en el diseño por el método AASHTO y para su cálculo se
recurrió al módulo Kenlayer del programa KENPAVE, desarrollado por Yang H. Huang en la
Universidad de Kentucky.
Se adoptaron las siguientes expresiones para el cálculo de los esfuerzos y deformaciones
admisibles, las cuales dependen del número de ejes equivalentes de diseño:
Tabla 14: Expresiones para el cálculo de solicitaciones admisibles
Solicitación
Deformación por tracción en el fondo de la
carpeta asfáltica ( t)
Deformación vertical compresiva en la
subrasante ( z)
Esfuerzo vertical compresivo en la subrasante
( z)
Autor
Expresión
-3
Shell 77
0.028N
Kerhoven y Dormon
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-0.1626
2.91x10 N
Shell 77
σz =
-0.25
0.007 E SBR
1 + 0.7 log N
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Los valores admisibles de las solicitaciones anteriores para cada una de las vías del proyecto se
presentan a continuación:
Tabla 16: Solicitaciones admisibles para chequeo de esfuerzos y deformaciones
Valores
Corredor
t
-4
Ruta 45 – K6+000
Guacacayo – La Laguna
Guacacayo – K1+000
San Agustín – Obando Tramo I (K1+300 – K2+100)
San Agustín – Obando Tramo II (K5+000 – K8+700)
San Agustín – Obando Tramo III (K10+000 – K11+600)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K4+0600 – K8+200)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K11+000 – K14+600)
z
z
4.06x10
-4
4.09x10
-4
3.91x10
-4
3.95x10
-4
3.95x10
-4
3.95x10
-4
3.45x10
-4
3.45x10
-3
1.35x10
-3
1.37x10
-3
1.28x10
-3
1.30x10
-3
1.30x10
-3
1.30x10
-3
1.06x10
-3
1.06x10
(MPa)
0.107
0.083
0.072
0.100
0.093
0.100
0.091
0.056
La modelación con el programa Kenlayer se efectuó para el fondo de la carpeta asfáltica y para el
nivel de subrasante adoptado para los diseños y que corresponde al del tope superior de los
granulares existentes actualmente sobre la vía; en ambos casos los esfuerzos y deformaciones se
estimaron bajo el centro de una de las huellas de carga, bajo el borde de la misma y en el centro
de la separación entre improntas; todas las posiciones mencionadas se ubican a lo largo del eje
que une los centros de las huellas. El esquema de cargas empleado en la estimación de esfuerzos
y deformaciones se presenta en la figura 1:
32,2
10,76
Carpeta
Asfáltica
Base
Granular
Subbase
Granular
Subrasante
Figura 1: Esquema de cargas de eje y localización de puntos para chequeo de esfuerzos y deformaciones
En virtud de que el tránsito se expresó en términos de ejes equivalentes de 8.2 t es necesario
emplear la siguiente configuración de cargas en el análisis:
Tabla 15: Características de la carga de eje para análisis
Parámetro
Radio de carga de cada huella (cm.)
Separación entre centros de huella (cm.)
Presión de Contacto (KPa)
Valor
10.76
32.26
562.0
Con la información anterior se procedió a ejecutar los diseños chequeando los esfuerzos y las
deformaciones que se presentan en el pavimento bajo la acción de la carga de referencia; los
espesores obtenidos para cada una de las vías son los siguientes:
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Tabla 16: Espesores de diseño de la Alternativa 1 según el método Racional
Corredor
Ruta 45 – K6+000
Guacacayo – La Laguna
Guacacayo – K1+000
San Agustín – Obando Tramo I (K1+300 – K2+100)
San Agustín – Obando Tramo II (K5+000 – K8+700)
San Agustín – Obando Tramo III (K10+000 – K11+600)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K4+0600 – K8+200)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K11+000 – K14+600)
Emej
(MPa)
MDC-2
72
56
49
68
63
68
65
40
10.0
10.0
10.0
10.0
10.0
10.0
10.0
13.0
Espesores (cm.)
Base
Subbase
Granular
Granular
20.0
22.0
27.0
20.0
20.0
20.0
30.0
30.0
-
Tabla 17: Espesores de diseño de la Alternativa 2 según el método Racional
Corredor
Ruta 45 – K6+000
Guacacayo – La Laguna
Guacacayo – K1+000
San Agustín – Obando Tramo I (K1+300 – K2+100)
San Agustín – Obando Tramo II (K5+000 – K8+700)
San Agustín – Obando Tramo III (K10+000 – K11+600)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K4+0600 – K8+200)
Pitalito – Acevedo Tramo I (K11+000 – K14+600)
Emej
(MPa)
MDC-2
72
56
49
68
63
68
65
40
11.0
13.0
12.0
11.0
12.0
11.0
13.0
16.0
Espesores (cm.)
Base
Subbase
Granular
Granular
15.0
15.0
15.0
15.0
15.0
15.0
15.0
16.0
-
Las memorias de cálculo de los diseños ejecutados con el método Racional se presentan en el
Apéndice E al final de este informe.
Como puede observarse al comparar los datos de las Tablas 12 y 13 con las Tablas 16 y 17 los
espesores de concreto asfáltico obtenidos por AASHTO son adecuados, según el método
Racional, para su construcción en cada una de las vías del Grupo 55.
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9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En términos generales, los suelos que soportan los corredores contratados son limosos y arcillosos
y exhiben consistencias variables entre bajas y medias y sobre los cuales se han extendido capas
granulares, a manera de afirmado, que pueden ser empleadas como parte de una subrasante
mejorada sobre la cual será posible colocar los pavimentos diseñados. Las vías carecen de
estructuras de drenaje y subdrenaje tales como filtros y cunetas.
Los resultados de las pruebas de campo y laboratorio muestran que en los dos tramos contratados
los suelos de subrasante exhiben capacidades de soporte variables entre bajas y medias,
especialmente bajo condiciones de saturación, tal como puede apreciarse con los resultados de los
ensayos de CBR inalterado luego de 96 horas de inmersión. En ningún caso se detectaron
propiedades expansivas en los suelos examinados.
Se realizaron pruebas de caracterización de los materiales granulares de afirmado extendidos
sobre los suelos de subrasante para estimar la capacidad de soporte que exhiben, toda vez que se
prevé la construcción de los pavimentos diseñados sobre la rasante actual del proyecto. De
acuerdo con los resultados encontrados, la capacidad de soporte de los afirmados y capas
granulares superficiales pueden considerarse como medias siendo estos últimos en cualquier caso
aptos para extender sobre ellos los pavimentos a construir.
En la carretera Ruta 45 – K6+000 se detectaron concretos asfálticos que podrán ser retirados para
obtener una subrasante reconformada que sirva como soporte de la estructura de pavimentos
nueva; toda vez que será necesaria la colocación de una capa de nivelación para obtener el nivel
de subrasante requerido, se recomienda un espesor promedio de 15.0 cm. de subbase. Debe
indicarse que la capa de nivelación en el espesor y tipo de agregados ya citados es necesaria
también en las demás vías del Grupo 55, con miras a eliminar las irregularidades del terreno y
poder extender la base granular con espesores aproximadamente uniformes.
En todos los tramos que se desarrollen a lo largo de cortes a media ladera o en cajón es necesaria
la instalación de filtros longitudinales, bien sea como dren francés o como geodren, con el
propósito de restringir la entrada de aguas subterráneas a la estructura del pavimento; los filtros
deberán colocarse en los costados de las vía, en la pata de los taludes de corte a lo largo de los
cuales se encuentra el alineamiento del proyecto. También es recomendable la colocación de
filtros tranversales en la parte media de los tramos en ascenso que tendrá la vía, toda vez que si
bien el filtro lateral restringe la entrada de aguas freáticas y de infiltración al pavimento, la
profundidad del mismo no es suficiente para interceptar los flujos más profundos que, en los
tramos de alta pendiente, pueden aflorar en las partes bajas, circulando incluso por las capas de
base y subbase granular y generando afloramientos o nacederos en la carpeta de rodadura.
Se realizó un análisis geotécnico de cada corredor en función de los espesores de material
granular presentes en la vía bajo su condición actual; para cada tramo se calculó el valor del
módulo combinado de subrasante mejorada de acuerdo con el método de Ivanov y a partir de las
pruebas de capacidad de soporte del terreno natural y de compactación de los granulares
existentes, resultado que se empleó como módulo resiliente de subrasante para diseño bajo la
premisa de que los pavimentos se construirán sobre la rasante actual.
En todas las vías del Grupo 55 se encontró que en general los suelos naturales exhiben bajas
capacidades de soporte bajo condiciones de humedecimiento; lo anterior permitió adoptar, para la
totalidad de cada tramo, un único valor de módulo resiliente de subrasante natural, basado en el
CBR luego de 96 horas de inmersión.
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De las alternativas presentadas se recomienda adoptar la primera de ellas en virtud de que implica
la colocación de menores espesores de concreto asfáltico que requieren, en la mayor parte de los
tramos, la extensión y compactación de la carpeta en una sola pasada de terminadora.
9.1 PROCESO CONSTRUCTIVO
En varios casos es necesario ampliar la sección de la vía existente para proporcionar el ancho de
calzada requerido para el tránsito vehicular; estas zonas de ampliación deberán ser excavadas en
áreas no consolidadas que al ser incorporadas al resto de la sección de la vía darán lugar a
obtener dos estructuras de distinta rigidez a cada lado de la junta de ampliación.
Si bien no será posible eliminar completamente las consecuencias de la diferencia de rigidez en el
pavimento, como resultado de la ampliación, es posible reducir los efectos esperables en la
siguiente forma: la ampliación requerirá una excavación de 30.0 cm. de profundidad en cuyo fondo
se extenderá un geotextil de alto módulo, cubriendo incluso las paredes laterales de la caja y un
ancho adicional de 1.0 m a cada lado de la misma para proporcionar anclaje lateral; posteriormente
se hará un vertimiento de crudo de río en la caja, sobre el geotextil, compactándolo y sellándolo
hasta que se alcance el mismo nivel de la rasante actual del proyecto. La compactación de las
zonas de ampliación podrá realizarse con cilindro vibratorio.
La conformación de las ampliaciones deberá incluir crudo de río cuyo tamaño máximo sea 2/3 la
profundidad de la caja; en este caso el tamaño máximo no superará los 20.0 cm. Una vez se haya
completado la conformación de las ampliaciones deberán efectuarse dos o tres pasadas de cilindro
estático sobre los granulares.
Posteriormente se extenderá y colocará el material de subbase hasta obtener el nivel de la
subrasante de diseño y posteriormente se extenderá y compactara la estructura de diseño hasta
alcanzar los niveles máximos previstos para cada una de ellas; dependiendo de los espesores de
construcción de las capas de subbase y de base su conformación podrá completarse bien sea en
una o en dos capas, siempre y cuando se garantice que el grosor de cada subcapa sea de al
menos dos veces el tamaño máximo del agregado. En el caso de la subbase granular deberá
garantizarse que el CBR sea como mínimo del 40%, mientras que para la base granular deberá
alcanzarse cuando menos el 80%.
Por último, el concreto asfáltico deberá colocarse previa imprimación de la superficie granular que
lo soportará; al igual que en el caso de las capas granulares, el espesor mínimo de capa en el
concreto asfáltico debe ser de al menos dos veces el tamaño máximo del agregado que conforma
la mezcla. Considerando los espesores de diseño propuestos es posible extender y compactar
capas de hasta 8.0 cm. de altura final, los cuales deberán ser compactados con cilindro vibratorio
y, si se trata de capas de rodadura, sellados con compactador de llantas.
Deberán instalarse filtros laterales para restringir la entrada de agua a la estructura del pavimento;
estos filtros deberán instalarse con su tope coincidiendo con el nivel de fondo de la base granular,
la cual a su vez servirá como material filtrante de aguas que puedan encontrarse en la estructura.
En las zonas de pendientes pronunciadas y extensas deberán instalarse filtros transversales a la
vía que permitan interceptar aguas de origen subterráneo que no pueden ser captadas por los
filtros laterales, las cuales por lo general forman un flujo a lo largo de las capas permeables del
pavimento y generan afloramientos de agua en las partes bajas, a causa de la cabeza de presión
ocasionada; los filtros transversales deberán ser conectados bien sea a los subdrenes laterales ya
mencionados o a alcantarillas.
Las obras de subdrenaje mencionadas deberán ser colocadas antes de la implantación de la
estructura del pavimento; los filtros podrán conformarse a manera de dren francés empleando
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grava de tamaño máximo de 2” confinada en un geotextil cuya abertura aparente sea menor de
0.297 mm, toda vez que en los tramos del proyecto los suelos en los cuales los filtros deben ser
instalados son finos (limoarcillosos y arcillosos). Para evitar que el geotextil se colmate éste deberá
tener una porosidad igual superior al 30% cuando se trate de materiales no tejidos, o un porcentaje
de área abierta del 4% o superior en el caso de geotextiles tejidos.
9.2 ESPECIFICACIONES DE MATERIALES
Como se mencionó anteriormente, el tamaño máximo del crudo de río que puede ser utilizado en la
conformación de las zonas de ampliación debe ser de máximo 2/3 partes la profundidad de la caja
de ampliación; estos materiales pueden colocarse sin ser triturados previamente. El sello de esta
capa podrá efectuarse con material de afirmado, el cual deberá verterse sobre el crudo y
compactarse hasta que se alcance el mismo nivel de la rasante actual de la vía, evitando dejar
vacíos en la superficie de la zona ampliada.
Los materiales de subbase y base granular deberán cumplir, cuando menos, con un CBR de 40% y
de 80% respectivamente, condiciones que pueden verificarse con ensayos de densidad en terreno
y de capacidad de soporte en laboratorio, o bien con pruebas directas de CBR en campo. En
general, las propiedades de estas capas deberán ajustarse a lo establecido en los Artículos 320 y
330 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del Instituto Nacional de
Vías; según los artículos mencionados, los granulares deben ajustarse a los siguientes husos
granulométricos:
Tabla 18: Distribución granulométrica para subbases y bases granulares
Tamiz Normal
mm
50.0
37.5
25.0
12.5
9.50
4.75
2.00
425 m
75 m
Subbase Granular
Tamiz Alterno
(pulg)
2
1½
1
½
3/8
N° 4
N° 10
N° 40
N° 200
% Pasa
100
70 – 100
60 – 100
50 – 90
40 – 80
30 – 70
20 – 55
10 – 40
4 - 20
Tamiz Normal
mm
Base Granular
Tamiz Alterno
(pulg)
37.5
25.0
19.0
9.50
4.75
2.00
425 m
75 m
1½
1
3/4
3/8
N° 4
N° 10
N° 40
N° 200
% Pasa
100
70 – 100
60 – 90
45 – 75
30 – 60
20 – 45
10 – 30
5 – 15
El concreto asfáltico que deberá ser extendido en las vías del proyecto se ajustará a los
requerimientos del Artículo 450 de las Especificaciones de Construcción de Carreteras del Instituto
Nacional de Vías para la distribución granulométrica tipo MDC – 2, limitada a los siguientes
tamaños:
Tabla 19: Distribución granulométrica para concreto asfáltico
Tamiz Normal
mm
19.0
12.5
9.50
4.75
2.00
425 m
180 m
75 m
Tamiz Alterno
(pulg)
¾
½
3/8
N° 4
N° 10
N° 40
N° 80
N° 200
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% Pasa
(MDC – 2)
100
80 – 100
70 – 88
49 – 65
29 – 45
14 – 25
8 – 17
4–8
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Se recomienda que la estabilidad mínima de la mezcla sea de 900 Kg., y que el producto exhiba un
contenido de vacíos totales variable entre 4% y 6% sobre el volumen total; el flujo deberá estar
entre 2.0 y 3.5 mm, todo lo anterior verificado por medio del diseño Marshall.
Por último, los filtros para subdrenaje de la estructura del pavimento deberán ajustarse a los
requerimientos del Artículo 673 - 02 de las Especificaciones de Construcción del Instituto Nacional
de Vías; según esta norma, el material drenante deberá cumplir con la siguiente distribución
granulométrica:
Tabla 20: Distribución granulométrica para filtros
Tamiz Alterno
(pulg)
3”
2 ½”
2
1 ½”
1”
¾”
½”
3/8”
¼”
No 4
No 8
No 16
No 30
% Pasa
100
70 – 100
60 – 100
50 – 100
35 – 80
30 – 65
25 – 50
20 – 45
15 – 35
12 – 30
6 – 20
0 – 10
0–2
Los requerimientos hidráulicos mínimos que se exigirán a los geotextiles que se empleen en la
conformación de los filtros se presentan a continuación:
Tabla 21: Requerimientos hidráulicos para geotextiles de filtro
PROPIEDAD
NORMA
DE
ENSAYO
Permitividad
INV E-905
Tamaño de Abertura
(6)
Aparente
Estabilidad Ultravioleta
INV E-907
Valor Mínimo Promedio por Rollo
(VMPR)
(5)
Porcentaje de suelo pasa Tamiz No. 200 (0.075 mm)
< 15
15 a 50
>50
-1
-1
-1
0.5 s
0.2 s
0.1 s
0.43 mm
(Tamiz 40)
0.25 mm
(Tamiz 60)
0.22 mm
(Tamiz 70)
INV E-910
50% después de 500 horas de exposición
Las propiedades mecánicas exigidas por el Artículo 673 – 02 para los geotextiles de filtro son los
siguientes:
Tabla 22: Requerimientos mecánicos para geotextiles de filtro
PROPIEDAD
NORMA DE ENSAYO
Valor Mínimo Promedio por
Rollo
(1)
(VMPR)
Valor Mínimo Promedio por
Rollo
(1)
INV E-901
Elongación
(3)
> 50%
700 N
(VMPR)
Elongación
(2)
< 50%
1100 N
Resistencia al punzonamiento
INV E-902
250 N
400 N
Resistencia al rasgado trapezoidal
INV E-903
250 N
Resistencia al Estallido (Mullen
Burst)
INV E-904
1300 kPa
(Elongación medida según ensayo
INV E-901)
Resistencia a la tensión (Grab)
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(4)
250 N
2700 kPa
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En el caso de geotextiles para refuerzo estructural dichos materiales deberán ajustarse a las
exigencias del Artículo 676 de las Especificaciones de Construcción del Instituto Nacional de Vías;
las características mecánicas mínimas exigibles son las siguientes:
Tabla 23: Requerimientos mecánicos para geotextiles de refuerzo
PROPIEDAD
(Elongación medida según
ensayo INV E-901)
Resistencia a la tensión
(Grab)
Resistencia
punzonamiento
Resistencia al rasgado
trapezoidal
Resistencia al Estallido
(Mullen Burst)
INV E-901
Valor Mínimo Promedio por
(1)
Rollo (VMPR)
Elongación
(2)
< 50%
1400 N
Valor Mínimo Promedio por
(1)
Rollo (VMPR)
Elongación
(3)
> 50%
900 N
INV E-902
500 N
350 N
NORMA DE ENSAYO
al
INV E-903
INV E-904
500 N
(4)
350 N
3500 kPa
1700 kPa
Las propiedades hidráulicas de los geotextiles de refuerzo deben cumplir con los siguientes
requerimientos:
Tabla 24: Requerimientos hidráulicos para geotextiles de refuerzo
PROPIEDAD
NORMA
DE
ENSAYO
INV E-905
Valor Mínimo Promedio Por Rollo (VMPR)
Tamaño de Abertura Aparente
INV E-907
0.43 mm
Estabilidad Ultravioleta
INV E-910
50% después de 500 h de exposición
Permitividad
(5)
(6)
0.05 s
-1
Finalmente, las geomallas de refuerzo para restringir el reflejo de grietas en el pavimento en las
zonas de ampliación deberán tener una resistencia última mínima de 30 KN/m, con una elongación
por rotura máxima del 20%. En todos los casos la geomalla deberá ser biaxial y deberá colocarse
cubriendo un ancho de 1.50 m a cada uno de los lados de la junta de contacto entre la ampliación y
la vía existente actualmente.
LAS RECOMENDACIONES AQUÍ CONSIGNADAS PODRÁN SER MODIFICADAS SEGÚN LO
ENCONTRADO EN EL TERRENO DURANTE LA EJECUCIÓN DE LAS OBRAS Y AL CRITERIO
DE LA INTERVENTORÍA.
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