Mejoramiento de subrasantes de baja capacidad portante por

Premio Graña y Montero
Investigación Profesional
PREMIO GRAÑA Y MONTERO
Categoría:
INVESTIGACION PROFESIONAL
P
Título:
“MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES
DE BAJA CAPACIDAD PORTANTE POR
MEDIO DE LA APLICACIÓN DE
CORRELACION DEFLECTOMETRICA”
Candidato:
ING. CIP RAMÓN OVIEDO BELLOTT
LIMA, MARZO DE 2013
Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott
1
Premio Graña y Montero
Investigación Profesional
PREMIO GRAÑA Y MONTERO
A LA INVESTIGACIÓN
EN INGENIERIA PERUANA
Categoría: INVESTIGACIÓN PROFESIONAL
Tema: “MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES DE BAJA
CAPACIDAD PORTANTE POR MEDIO DE LA APLICACIÓN
DE CORRELACIÓN DEFLECTOMÉTRICA”
ÍNDICE
1.
PROPÓSITO DE LA INVESTIGACIÓN
2.
METODOLOGIA EMPLEADA EN LA INVESTIGACIÓN
3.
TRABAJOS Y EXPERIENCIAS REALIZADAS
4.
ANALISIS DE LOS RESULTADOS
5.
CONCLUSIONES
6.
POSIBILIDADES DE APLICACIÓN
ANEXO DE BIBLIOGRAFIA UTILIZADA
Lima, marzo de 2013
Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott
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Premio Graña y Montero
Investigación Profesional
PREMIO GRAÑA Y MONTERO
Categoría: INVESTIGACIÓN PROFESIONAL
Título: MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES DE BAJA CAPACIDAD PORTANTE
POR MEDIO DE LA APLICACIÓN DE CORRELACIÓN DEFLECTOMÉTRICA
Candidato: Ing. Ramón Oviedo Bellott
1.-
PROPOSITO DE LA INVESTIGACIÓN
La construcción de carreteras es una de las actividades de mayor
incidencia e impacto en la realización de obras de infraestructura y
ciertamente es uno de los rubros que contribuye de manera más eficaz y
eficiente en el mejoramiento de las condiciones de vida de la comunidad a
la cual se beneficia en particular y de la sociedad y el país en general.
Frecuentemente, en el intenso ajetreo de los trabajos que se acometen; los
ingenieros disponemos de un tiempo muy corto o restringido para
abocarnos a recopilar los logros alcanzados en la sistematización de ciertas
operaciones clave; como son por ejemplo los trabajos de explanaciones en
carreteras.
La motivación principal que mueve a este trabajo es simplemente la
divulgación de avances muy consistentes y debidamente sustentados en
razonamientos teóricos, a objeto de garantizar la buena capacidad portante
del suelo de fundación de una carretera.
Durante la ejecución de trabajos de explanaciones en cortes y rellenos para
terraplenes de carreteras; casi inevitablemente se presentan sectores
donde la subrasante presenta deficiencias puntuales de capacidad
portante; las cuales por la premura de los trabajos, deben ser subsanadas
en tiempos relativamente cortos y perentorios.
Si bien, en los tiempos recientes para la elaboración de estudios se acude
al concurso de equipos modernos tales como el Dynaflect, Road Rater y el
deflectómetro de impacto (Falling Weight Deflectometer o FWD); estos
resultan ciertamente onerosos o inapropiados para verificaciones cortas y
expeditivas, allí donde se constata puntualmente un déficit de la capacidad
portante de la fundación. En estos casos, tradicionalmente los métodos a
los que se acudían para su diagnóstico certero eran basados en las
pruebas conocidas de Valor de Soporte de California (más conocida como
California Bearing Ratio o CBR) o Penetrómetro Dinámico de Cono (PDC).
La utilización cada vez más intensiva de un equipo relativamente más
sencillo y económico como es la Viga Benkelman (VB); permite el
planteamiento de métodos combinados, de tal modo que nos posibiliten
otorgar celeridad en las respuestas técnicas durante las operaciones de
construcción.
El propósito del presente trabajo es la presentación de los resultados
relativos al dimensionamiento expedito de los mejoramientos de subrasante
en base a la sistematización de resultados de CBR correlacionados con
pruebas deflectométricas de VB de tal modo que nos permitan la
calibración estructurada de espesores de mejoramiento de subrasante.
Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott
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2.-
Investigación Profesional
METODOLOGIA EMPLEADA EN LA INVESTIGACION
La subrasante debe tener una capacidad de respuesta para garantizar la
vida útil del pavimento, la cual debe ser conforme con los Estudios y las
Especificaciones Técnicas del proyecto en lo referente a su grado de
compactación y deflexión máxima admisible. Sin embargo, esto no se
cumple en algunos casos aislados o puntuales, resultando inevitable
efectuar su mejoramiento.
Comúnmente, es práctica habitual que las necesidades de mejoramiento de
subrasantes sean objeto de verificación previa por parte del Supervisor de
Obra que ‒ en consenso con el Contratista‒ define en forma semi-empírica
los espesores y magnitudes del mejoramiento requerido.
Sin embargo, muy a menudo se suscita una controversia técnica sobre los
espesores necesarios y suficientes de mejoramiento, ya que al ser
realizada la auscultación del subsuelo, no existe un procedimiento explícito
ni una adecuada fundamentación teórica ni técnica para acatar tal o cual
procedimiento.
Este documento propone el análisis teórico-práctico para determinar los
espesores adecuados de reemplazo del material no competente de la
subrasante, que no reúne las condiciones del valor mínimo de CBR, para
cumplir con el diseño estructural del pavimento.
En consecuencia, en la primera parte se exponen las bases teóricas de la
metodología propuesta para la sistematización de los mejoramientos de
capacidad portante de subrasantes en carreteras. Posteriormente se
converge a un procedimiento practico para cumplir satisfactoriamente tal
cometido.
En este trabajo, los ensayos de verificación de campo han sido realizados
en base a la recopilación de experiencias efectuadas en el Laboratorio de
Mecánica de Suelos, Pavimentos y Concretos del Concesionario ConirsaIIRSA SUR del Corredor Vial Interoceánico Sur- Perú-Brasil Tramos 2 y 3
en el Campamento Mazuko, Departamento de Madre de Dios; el año 2008.
El paquete estructural del pavimento en ejecución era el siguiente:
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2.1.- Excavación para Explanaciones
El suelo de fundación de una carretera puede estar conformado por terreno
natural en el caso de cortes o por un terraplén en el caso de rellenos. Para
ambos casos, la cota geométrica superior se denomina subrasante.
Los trabajos de explanación para conformación de la subrasante,
contemplan normalmente la realización de cortes del suelo en su estado
natural y la conformación de rellenos para terraplenes con material de
canteras, cuando las condiciones geotécnicas del préstamo lateral no son
aptas para alcanzar la calidad requerida.
Las Normas EG-2013 (Resolución Directoral N° 03-2013-MTC/14) de
reciente actualización, en la Sección 202 Excavación para Explanaciones;
en el apartado “Requerimientos de Construcción”; numeral 202.08
Excavación, estipulan los siguientes rubros más relevantes:
“…aprobación, por parte del Supervisor, de los trabajos de
topografía, desbroce, limpieza y demoliciones…
…coordinación con las obras de drenaje del Proyecto…
…que se asegure la utilización de todos los materiales aptos y
necesarios para la construcción…
(…). Al alcanzar el nivel de la subrasante en la excavación de material
suelto, se deberá escarificar una profundidad mínima de 15 cm, conformar
de acuerdo con las pendientes transversales especificadas y compactar,
según las exigencias de compactación definidas en la Subsección 202.19.
Si los suelos encontrados a nivel de subrasante están constituidos por
suelos inestables, el Supervisor ordenará las modificaciones que
corresponden a las instrucciones del párrafo anterior, con el fin de asegurar
la estabilidad de la subrasante. En este caso se aplicará lo especificado en
la Sección 207.
Como se puede advertir, dada la gran diversidad de casos que se
confrontan en la ejecución de las explanaciones, no resulta posible de
estructurar ni definir acciones más detalladas en caso de suelos inestables
a fin de garantizar la estabilidad de la subrasante. Es por ello que,
implícitamente las Normas dejan al buen criterio ingenieril y la práctica
comúnmente aceptada para la adopción del método más apropiado de
estabilización del suelo de fundación.
Es precisamente a este rubro que se pretende aportar y contribuir con un
esclarecimiento de carácter técnico, que tiene el propósito de llenar el
vacío actualmente existente.
2.2.- Mejoramiento de suelos a nivel de Subrasante
2.2.1. Las estipulaciones que contienen las Normas EG-2013
Según la Subsección 207.01; el Mejoramiento de suelos consiste en
“excavar el terreno por debajo de la subrasante o de fundación de
terraplenes y su reemplazo parcial o total con materiales aprobados
debidamente conformados, acomodados y compactados, de acuerdo con la
presente especificación, conforme con las dimensiones, alineamientos y
pendientes señalados en los planos del Proyecto y las instrucciones del
Supervisor”.
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La Subsección 207.04 añade: (…) “Los espesores de las capas a
conformar en el mejoramiento deberán ser como máximo de 30 cm,
exceptuando los 30 cm por debajo del nivel de la subrasante que será
conformado en 2 capas de 15 cm. En lo que corresponda deberán ceñirse
a lo especificado en las Subsecciones 205.07 y 205.08”
La Subsección 207.05, considera la siguiente clasificación:
“a. Mejoramiento involucrando el suelo existente
En el caso el Proyecto prevean el mejoramiento involucrando los
materiales del suelo existente, o el Supervisor lo considere conveniente,
pueden presentarse dos situaciones, sea mediante la estabilización
mecánica o combinación de suelos, estos se disgregarán en las zonas y
con la profundidad establecida en los planos, empleando procedimientos
aprobados por el Supervisor.
(…) El suelo de aporte para el mejoramiento se aplicará en los sitios
indicados en los documentos del Proyecto o definidos por el Supervisor, en
cantidad tal, que se garantice que la mezcla con el suelo existente cumpla
las exigencias de la Subsección 207.02, en el espesor señalado en el
Proyecto o aprobado por el Supervisor.
Los materiales disgregados y los de adición, se humedecerán o airearán
hasta alcanzar la humedad apropiada de compactación y, previa la
eliminación de partículas mayores de 7.5 cm, se compactarán hasta
obtener los niveles de densidad establecidos para la corona del terraplén
en la Subsección 205.12 (c) (1).(…)
b. Mejoramiento empleando únicamente material adicionado
Cuando los documentos del proyecto prevean la construcción de la
subrasante mejorada con aporte solamente con material adicionado,
pueden presentarse dos situaciones, sea que la capa se construya
directamente sobre el suelo natural existente o que éste debe ser excavado
previamente en el espesor indicado en los documentos del Proyecto y
reemplazado por el material de adición.
En el primer caso, el suelo existente se deberá escarificar, conformar y
compactar a la densidad especificada para cuerpos de terraplén, en una
profundidad de 15 cm. (…).
Además se establece que: “En el caso de que el mejoramiento con material
totalmente adicionado implique la remoción total del suelo existente, ésta
se efectuará en el espesor previsto en los planos o dispuesto por la
Supervisión en acuerdo con el procedimiento descrito en la Subsección
202.08. (…)”
Una innovación declarativa que introduce con relación a las EG-2000 es
que considera también los mejoramientos adicionando únicamente
“material manufacturado” según las Secciones 404, 405, 406, 407, 408
(aún inexistentes) así como el mejoramiento de subrasante con geotextiles.
La nueva normativa actualizada en las EG-2013 resulta sustantivamente
más ordenada y mejorada en relación a las pasadas Normas EG-2000. Sin
embargo, en el tema analizado y en base a la experiencia recogida, podría
nuevamente ocasionar problemas de aplicación que en la mayor parte de
los casos derivan en controversias técnicas entre las partes involucradas
en el Proyecto; al no existir un procedimiento específicamente estipulado.
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2.2.2. Los parámetros determinantes en la respuesta de la Subrasante
El comportamiento de una subrasante generalmente depende de tres
características básicas, las cuales se hallan interrelacionadas entre sí,
siendo éstas las siguientes:
a)
La capacidad portante
La subrasante debe tener la capacidad de soportar las cargas transmitidas
por la estructura del pavimento. La capacidad de carga es función del tipo
de suelo, del grado de compactación y de su contenido de humedad.
El propósito del pavimento es proporcionar una superficie confortable al
tránsito de vehículos. Consecuentemente, es necesario que la subrasante
sea capaz de soportar un número grande de repeticiones de carga sin
presentar deformaciones.
b) Contenido de humedad
El diferente grado de humedad de la subrasante afecta en forma
determinante su capacidad de carga, pudiendo además llegar a provocar
inclusive contracciones y/o expansiones indeseables, especialmente en el
caso de la presencia de suelos finos.
El contenido de humedad es afectado principalmente por las condiciones
de drenaje, elevación del nivel freático, infiltración etc. Una subrasante con
un elevado contenido de humedad sufrirá deformaciones prematuras ante
el paso de las cargas de solicitación de los vehículos.
c)
Contracción y/o expansión
Algunos suelos se contraen o se expanden, dependiendo de su grado de
plasticidad y su contenido de humedad. Cualquier pavimento construido
sobre estos suelos, si no se adoptan las medidas pertinentes, tenderán a
deformarse y/o deteriorarse prematuramente.
Para evitar que las deflexiones admisibles en la subrasante excedan los
límites establecidos, debe cumplirse que la presión transmitida por la carga
se mantenga por debajo del valor de la carga máxima transmitida al suelo,
para lo cual deberá tomarse en cuenta el tránsito de diseño a través del
número de repeticiones de carga, las deflexiones máximas esperadas y el
CBR del material con el que se ejecutará el mejoramiento.
2.2.3. Metodología utilizada en la Investigación
El método utilizado que se describe en este trabajo, está orientado a
proporcionar una correlación práctica para el mejoramiento cualitativo de
subrasantes en la construcción de pavimentos.
Primeramente, se han recopilado casi en forma irrestricta todas las
investigaciones realizadas y las expresiones consecuentes que establecen
la correlación más plausible entre los diferentes valores de CBR y su
Módulo Resiliente “MR”.
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Seguidamente se ha realizado la calibración de las deflexiones
encontradas con VB en registros previos y posteriores a mejoramientos
realizados con dos espesores típicos: 40 y 70 cm. Esta calibración ha
permitido encontrar los factores de ajuste entre las deflexiones teóricas
esperadas a través del modelo de Ahlvin y Ulery y las deflexiones
efectivamente registradas en los ensayos deflectométricos con VB.
Posteriormente, se ha realizado un análisis estadístico para establecer la
correlación de los espesores de mejoramiento de subrasante con las
deflexiones y los CBR’s correspondientes a la calidad del suelo de
fundación en un rango válido de 3 al 10%.
En resumen, para mejorar la capacidad estructural de una subrasante que
está llegando al límite de su estabilidad aceptable, conceptualmente se
recurre a medir su desplazamiento vertical (deflexión) bajo una carga
estándar predeterminada que es la VB. Esta medición se hace conociendo
la calidad y los espesores del material de mejoramiento. Con estas
deflexiones se infieren los valores de los módulos resilientes de esos
materiales, lo cual nos conduce a determinar en forma precisa los
espesores necesarios para no rebasar la deflexión máxima permisible.
El procedimiento en sí, consiste en determinar una adecuada combinación
de espesores de capas y calidad de materiales del sistema suelo naturalsubrasante (E,µ y h) para que los esfuerzos y deformaciones causados por
las solicitaciones a que se someterá su estructura, permanezcan dentro de
los límites deflectométricos admisibles establecidos previamente.
2.2.4. Planteamiento teórico de base
a) Distribución de presiones hasta la subrasante
Como una primera aproximación para establecer la distribución de
esfuerzos, se aplicó el modelo propuesto por el matemático francés Joseph
V. Boussinesq en 1885, que determinó el estado de esfuerzos en una masa
de suelo a cualquier profundidad. El citado trabajo se basó en una carga
concentrada aplicada en un semiespacio lineal, idealizado como elástico,
isótropo y homogéneo.
Esta solución fue por mucho tiempo la única disponible, hasta que en 1945
Donald M. Burmister propuso una teoría que se podía aplicar a estructuras
de pavimentos, basada en la teoría de Boussinesq pero que tenía en
cuenta los estratos y las propiedades mecánicas de los materiales que
conforman la masa de suelo, para calcular el estado de esfuerzos de ésta a
cualquier profundidad.
Posteriormente, la generalización del modelo a estructuras multicapa con
diferentes condiciones de frontera fue propuesta por Westergaard, Palmer
y Barber, Odemark, Yoder y otros.
Los espesores y las profundidades de mejoramiento de las subrasantes
ameritan naturalmente un detenido análisis técnico. La profundidad de cada
mejoramiento debe determinarse en base a un modelo del esfuerzo–
deformación, siendo necesario en cada caso determinar la presión
transmitida y el esfuerzo resultante en la subrasante.
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En el gráfico siguiente se presenta la variación de la presión debajo de una
rueda doble cargada con el eje equivalente de 8.2 tn. aplicando la teoría de
Boussinesq.La modelación de la solución inicial basada en esa teoría se
muestra en la figura siguiente:
GRAFICO DE DISTRIBUCION DE PRESIONES
(Teoría de Boussinesq)
D
pi =
5.6 Kg/cm2
r=
15 cm
(presión de contacto)
(radio del área cargada)
sv = p1 [1-(1/(1+(r/z)2))3/2]
6.00
5.50
5.00
4.50
4.00
3.50
3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
sz (Kg/cm2)
0
-25
-50
Profundidad (Cm)
-75
-100
-125
-150
-175
-200
Los espesores del pavimento de TSB eran: capa de rodadura = 2,0 cm.;
capa base = 20 cm. y capa sub-base = 22 cm. lo que suma un espesor
total de la estructura del pavimento que alcanzaba los 44 cm.
En el gráfico anterior se advierte que las presiones transmitidas desde la
superficie (σ0=5,64 kg/cm2), se disipan muy rápidamente. A una
profundidad de 44 cm. se tiene una presión media en la subrasante de σ =
0,75 kg./cm2. Esto sería estrictamente válido para una carga estática. Para
un vehículo con movimiento dinámico, ciertamente que esta presión será
menor. Por tanto, ello significa que la solicitación de carga será disminuida
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a esta profundidad un valor referencial inferior al 12% de la presión de
carga aplicada en la superficie del pavimento.
b)
Correlaciones entre el CBR y el Modulo Resiliente
La calidad de las capas que constituyen el pavimento son definidas
principalmente a través de los siguientes parámetros: el espesor “h”, el
Módulo Resiliente “MR” y el Coeficiente de Poisson “µ”.
El Modulo Resiliente (MR) es un parámetro análogo al Módulo de
Elasticidad (E) ya que ambos parámetros tienen la misma definición en
términos de la Teoría de la Elasticidad. La diferencia conceptual estriba en
que el MR se determina en un ensayo con carga dinámica repetida, que
simula los efectos del tráfico en el interior de un pavimento. El módulo
resiliente conceptualmente es el comportamiento elástico final del suelo.
La norma AASHTO T-274 estandariza en laboratorio el ensayo del módulo
resiliente. La forma más factible en obra sería a través del ensayo de
compresión edométrica, ensayo triaxial dinámico y/o ensayo de placa de
carga. En condiciones reales de campo, resulta, de todos modos muy
complicado y anti-económico obtener confiablemente estos valores.
Es por ello que los módulos resilientes de las diferentes capas que
componen el pavimento se estiman por medio de correlaciones indirectas,
en su mayor parte a través del ensayo CBR. Como es conocido, este
ensayo mide la capacidad de soporte de un suelo para condiciones de
suelo estándares y constantes, independientemente del tipo material o de
la posición de éste en la conformación de la estructura del pavimento.
Por lo tanto, se ha recopilado en toda la bibliografía técnica disponible, la
gran mayoría de las correlaciones vigentes para el efecto. Prácticamente la
totalidad de las expresiones se basan en la conocida correlación
establecida por Heukelom, según la cual:
E0 = k CBR
(ecuación 1)
Las expresiones mostradas en la Tabla Nº 1 de la página subsiguiente,
ofrecen una amplia gama de resultados, de los cuales los más plausibles y
certeros resultaron siendo las ecuaciones de la AASHTO tanto para suelos
finos como para suelos granulares.
Ellos muestran además una buena correlación con los valores adoptados
por la AASHTO para la equivalencia con los coeficientes estructurales, los
valores de CBR (Illinois) y los valores “R” del Instituto del Asfalto.
Haciendo inferencia de estas aplicaciones a la teoría elástica, se deduce
que es posible aplicar a los ensayos de CBR utilizando los resultados de la
prueba de carga, asociados a asentamientos característicos de 0.1
pulgada. Para ello, se utiliza la solución que ofrece la teoría elástica para el
cálculo del asentamiento que ocurre cuando se tiene una superficie circular
rígida cargada sobre un medio semi-infinito.
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La fórmula es la siguiente:
Δ = π/2 (1-µ2) pa/E
(ecuación 2)
Donde:
Δ= Asentamiento
µ = Relación de Poisson
p = Presión aplicada
a = Radio del área cargada
E =Módulo de elasticidad
Considerando un asentamiento característico de 0.1 pulgada; un valor de
µ=0.40; radio equivalente a un área circular cargada de 3 pulg2 y la presión
aplicada en función del valor CBR, se obtienen los siguientes valores:
E = 139.7CBR
E en libra/pulg2
E = 9.83CBR E en kg/cm2
Entonces, es posible obtener valores de módulos elásticos E a partir del
valor CBR asumiendo un comportamiento del medio como elástico,
uniforme e isotrópico.
c) CBR de la Subrasante que requiere mejoramiento
El CBR es un ensayo normalizado (ASTM D-1883) y corresponde a un
parámetro indicativo de la capacidad de soporte de un suelo.
El CBR es la relación (expresada en porcentaje) entre la resistencia a la
penetración requerida para que un pistón de 3 pulg2 de área penetre 0.1
pulgadas dentro de un suelo, entre 1000 psi. que es la resistencia a la
penetración de una muestra patrón. La muestra patrón es una piedra
chancada.
Según las Especificaciones Técnicas, la compactación debe efectuarse a
una “humedad óptima”, lo cual en la mayor parte de los casos en esa zona
no era posible de efectuar con el material de la propia subrasante, en razón
a que los suelos de esa región amazónica se hallaban con un contenido de
humedad siempre mayor al óptimo. De ahí que, algunos suelos aun
teniendo un CBR superior al de diseño, requieran ser mejorados debido a
que por su baja densidad (producto de su elevado contenido de humedad),
su capacidad de soporte “in situ” resultaba siendo muy baja.
Por tanto, con la finalidad de determinar la capacidad de soporte de los
suelos que requerían mejoramiento, se efectuaron ensayos de CBR, para
determinar además su humedad óptima. Los resultados obtenidos
confirmaron que en todos los casos la humedad natural era muy superior a
la humedad óptima.
El comportamiento de la subrasante es función de la humedad y densidad,
asociada a las condiciones ambientales del sitio. En suelos de baja
capacidad portante donde los valores de humedad alcanzan la condición
saturada y los valores de densidad de campo están muy por debajo de la
densidad de compactación, los valores de los módulos elásticos realmente
son muy bajos. Se estudiaron las siguientes correlaciones para determinar
en base a los valores de CBR los módulos resilientes correspondientes:
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Tabla Nº 1 : CORRELACIONES ENTRE CBR versus MODULO RESILIENTE
2
CBR
100
40
30
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
Mr (1)psi
15000
13500
12000
10500
9000
7500
6000
4500
3000
Mr kg/cm2
1034
931
827
724
621
517
414
310
207
Mr (2) psi
(Resultados expresados en psi y kg/cm )
USACE psi CSIR psi TRRL psi Mr (3) Mr (4)
35000
33250
31500
29750
28000
26250
24500
22750
21000
19250
220257
209244
198232
187219
176206
165193
154180
143167
132154
121142
60002
57002
54002
51002
48002
45002
42002
39002
36002
33002
51102
39000
48547
37050
45992
35100
43437
33150
40882
31200
38327
29250
35772
27300
33217
25350
30662 30681 23400
28107 28126 21450
17500
15750
14000
12250
10500
8750
7000
5250
3500
110129
59694
54285
48876
43467
38058
32649
27240
21831
30002
27002
24002
21002
18002
15002
12002
9002
6002
25552
22997
20442
17887
15332
12777
10222
7667
5112
25572
23017
20463
17909
15354
12800
10245
7691
5136
Mr (5) psi
13,201
12,979
12,745
12,497
12,235
11,956
11,658
11,337
10,991
10,614
kgr/cm2 Mr (6) Coef."a" Mr (psi)
20,000
12833
0,120
17,000
9625
0,110
15,000
928 6418
0,090
12,500
912 6097
896 5776
879 5455
860 5135
841 4814
0,089
11,900
820 4493
797 4172
773 3852
0,084
9,000
746
19500
17550
15600
13650
0,071
0,050
9,000
7,000
0,050
5,000
Mr(1) = FORMULA Mr = 1500*CBR (psi)
AASHTO para suelos finos (CBR < 10)
Mr(2) = FORMULA Mr = 1750*CBR (Mpa) Heukelomm y Foster 1960 Para N = 1,9*10^6 ejes equivalentes
USACE FORMULA Mr = 5409*CBR*0,711 (psi) US Cuerpo de Ingenieros (USACE) Green y Hall 1975
FORMULA Mr = 3000*CBR^0,65 (psi) Consejo Sur Africano de Investigaciones Científicas e
industrialesCSIR
TRRL = FORMULA Mr = 2555*CBR^0,64 (psi) Laboratorio de Investigación y Transporte de Carreteras
Mr(3) = FORMULA Mr = 176*CBR^0,64 (Mpa)
2<CBR<12
Mr(4) = FORMULA Mr = 3000*CBR*0,65 (Mpa)
7,2<CBR<20
Mr(5) = FORMULA Mr = 4326*lnCBR+241 (Mpa)
AASHTO para suelos granulares
Mr(6) = FORMULA Mr = 221*CBR*0,55 (Mpa)
12<CBR<80
Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott
12
Premio Graña y Montero
Investigación Profesional
Por lo tanto, la determinación de la capacidad portante de los suelos
subyacentes se efectuó en base a los resultados de los numerosos
ensayos CBR realizados; pudiendo ratificarse que el problema radicaba en
que la matriz del suelo subyacente (en su mayor parte conformado por
limos y arcillas) se encontraba con un elevado contenido de humedad y con
bajos índices de consistencia. Los valores de CBR “in situ” de la matriz
arcillosa se determinaron en base a la calificación cualitativa y cuantitativa
expresada en la siguiente tabla:
Tabla N° 2
CRITERIOS CUANTITATIVOS Y CUALITATIVOS PARA
ESTIMAR LA RESISTENCIA DELOS SUELOS PLASTICOS
Limites del
Consistencia
Liquida
Muy blanda
Ic
Resistencia a la
Compresion no
confinada ( kg/cm2)
C.B.R
(%)
PDC
(mm/Golpe)
N
DESCRIPCION
(Golpes/Pie)
CUALITATIVA
Ic <= 0
0
0,25 > Ic > 0
< 0.25
< 0.4
<2
0,50 > Ic > 0,25
0.25 a 0.50
0.4 - 0.8
2 - 4.
Fase liquida del suelo
Se extruye fuera de los
dedos cuando se presiona
Blanda
Moldeable con una
ligera presion de los dedos
Deformable
0,75 > Ic > 0,50
0.50 a 1.0
0.8 - 1.6
> 66
4 - 8.
Moldeable con una
fuerte presion de los dedos
Suave
1,0 > Ic > 0,75
1.0 a 2.0
1.6 - 3.2
66 - 46
8 - 15.
El pulgar lo raya facilmente,
pero lo penetra con gran fuerza
Medianamente
Dura
Dura
wlc > Ic > wlp
2 a 4
3.2 - 6.4
46 - 33
15 - 30.
La uña del dedo pulgar
lo raya con facilidad
Ic >= wlc
>4
> 6.4
33 - 23
> 30
La uña del dedo pulgar
lo raya con dificultad
Obsérvese que para índices de consistencia menores de 1.0, el valor
máximo del C.B.R. “in situ” era de 3.2 %, lo cual ratifica la necesidad de
ejecutar los mejoramientos de subrasantes, toda vez que los índices de
consistencia determinados en los ensayos son menores de 1.0.
3.-
TRABAJOS Y EXPERIENCIAS REALIZADAS
3.1.- ENSAYOS DEFLECTOMETRICOSCON LA VIGA BENKELMAN
3.1.1.- Determinación según la teoría de Ahlvin y Ulery
A objeto de determinar el umbral a partir del cual resultan absolutamente
necesarios realizar mejoramientos de la capacidad portante de la
subrasante; se realizaron ensayos deflectométricos con Viga Benkelman
(VB).
Para la determinación teórica de la magnitud de las deflexiones, se
utilizaron las fórmulas desarrolladas por los investigadores Ahlvin y Ulery
(ver el Anexo Nº 1) para determinar las deflexiones verticales bajo un área
circular cargada, que en este caso viene a ser el área proyectada de una
llanta de camión con 80 psi de presión (equivalente a 5,64 kg/cm2), que
corresponde a la presión ejercida por un eje normal equivalente.
La determinación de la magnitud de las deflexiones en la subrasante, como
resultado de la solicitación de cargas aplicadas por un eje equivalente de
8.2 toneladas, se efectuó a través de ensayos deflectométricos con la
aplicación de la VB directamente sobre la subrasante para el registro de las
deflexiones resultantes.
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Investigación Profesional
Según los autores aludidos; la fórmula general de la deflexión vertical es la
siguiente:
Δ = p ( 1 + μ) a [ z/a * A + (1 – μ) H ]
(ecuación 3)
E2
Donde:
Δ=
p=
a=
μ =
E2=
z=
Deflexión:(10^-2 mm).
Presión de inflado de la llanta (5.64kg/cm2).
Radio de contacto (10.79 cm.)
Módulo de Poisson. 0.45 (adimensional).
Módulo resiliente del terreno de fundación.
Profundidad de evaluación de los esfuerzos de compresión.
Aplicando los valores establecidos a la ecuación 3; para profundidad z=0
resultan A=1.00 y H = 2.00, por tanto se tiene lo siguiente:
Tabla N° 3
DETERMINACION TEORICA DE DEFLEXIONES SEGUN
LA FORMULA PROPUESTA POR AHLVIN Y ULERY
CBR
p(kg/cm2)
E1 (psi)
Poisson (µ)
a(cm.)
Δ (1/100 mm)
9
5.64
13,500
0.45
10.79
102
8
5.64
12,000
0.45
10.79
115
7
5.64
10,500
0.45
10.79
131
6
5.64
9,000
0.45
10.79
153
5
5.64
7,500
0.45
10.79
184
4
5.64
6,000
0.45
10.79
230
3
5.64
4,500
0.45
10.79
307
Se puede evidenciar que las deflexiones del suelo natural de fundación son
del orden de 102 1/100mm. para un CBR de 9 % y estas deflexiones se
van incrementando a medida que el CBR va disminuyendo.
3.1.2.- Calibración del modelo teórico con los mejoramientos realizados
Las deflexiones máximas admisibles en cada capa del pavimento fueron
determinadas mediante la aplicación del Modelo “Ecoroute” desarrollada en
la Ecole nationale des ponts et chaussées” de París-Francia.
Las deflexiones máximas admisibles para cumplir con las exigencias del
tráfico proyectado eran las siguientes:
Deflexión sobre la capa base = 71 1/100 mm.
Deflexión sobre la capa sub-base = 84 1/100 mm.
Sobre la capa subrasante mejorada = 92 1/100 mm.
Por tanto, resultaba necesario proceder a calibrar el modelo teórico del
numeral anterior, aplicando la teoría de Burmister, desarrollada para
esfuerzos en doble capa.
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Investigación Profesional
A continuación se muestra el ábaco de curvas de Burmister para la
determinación de las deflexiones resultantes en dos capas con módulos
resilientes diferentes (E1/E2):
La calibración fue realizada aplicando los resultados de la formula teórica a
las deflexiones realmente registradas para espesores entre 40 y 70 cm.,
por ser las más representativas de los mejoramientos realizados.
Según Burmister; la fórmula de la deflexión vertical es la siguiente:
Δ = 1.5 * [(p* a)/E2]*F2
(ecuación 4)
Donde:
Δ=
p=
a=
E2 =
F2 =
Deflexión: (10^-2 mm).
Presión de inflado de la llanta (5.64 kg/cm2).
Radio de contacto (10.79 cm).
Módulo resiliente del terreno natural de fundación.
Factor resultante de los módulos resilientes y z/a
Para la determinación de F2 se utilizaron los módulos resilientes del
material de mejoramiento vs. el material del suelo natural de fundación E 2.
Por tanto, para la resolución de la ecuación 4 se consideró lo siguiente:
E1 = Modulo resiliente del material de mejoramiento = 17.000 psi.
E2/E1 = Relación adimensional de módulos resilientes.
z = Profundidad de evaluación de los esfuerzos de compresión.
Tabla N° 4
CALIBRACION CON VB DE LOS PARAMETROS PARA
MEJORAMIENTOS DE 40 Y 70 CM. EN SUBRASANTES
CBRmejoram.
Mr
(psi)
E1
(Kg/cm2)
E2/E1
z
(cm)
z/a
F2
"k" de
40%
17,000
1,195
0.434
40
3.71
0.49
1.40
40%
17,000
1,195
0.390
70
6.49
0.47
1.31
Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott
ajuste
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Investigación Profesional
3.1.3.- Sistematización de las Investigaciones de Campo realizadas
a) Marco conceptual
En los trabajos de evaluación de la capacidad portante de subrasantes,
tradicionalmente se ha recurrido mediante la auscultación con calicatas, a
la toma de muestras para su ensayo en laboratorio y al análisis de cada
uno de sus estratos componentes por separado, para establecer las
características estructurales del mismo. Esta metodología es cara, lenta,
disturba las propiedades singenéticas del suelo y es por ello que se la
considera como "destructiva".
Es por ello que se ha optado reemplazarla por deflectometría con VB ya
que la alternativa aplicada es "no destructiva" y se basa en los
relevamientos deflectométricos de campo y la posterior interpretación de
las deflexiones registradas en gabinete. Las deflexiones reflejan una
respuesta integral del suelo bajo un eje estándar de 80 kN. Su medición es
simple, rápida, económica y sobre todo es "no destructiva", es decir, no se
altera el equilibrio ni la integridad del sistema.
La metodología no destructiva se fundamenta en que la forma y dimensión
de las curvas de deflexiones encierran una valiosa información acerca de
las características estructurales de la subrasante. Para interpretar los datos
se compara con un modelo matemático como por ejemplo el modelo de
Hogg-Burmister en la evaluación estructural de pavimentos. De hecho, este
modelo es también una correlación establecida entre las propiedades
medidas y los parámetros elásticos de un sistema suelo-pavimento.
La metodología de evaluación estructural, por métodos no destructivos, se
puede considerar como un proceso de control invertido ya que utiliza la
respuesta del sistema (deflexiones) para definir sus características
estructurales, lo cual es opuesto a un proceso normal de diseño.
Otra característica de la metodología de evaluación no destructiva con VB
es que, por constituir la "muestra de ensayo" el suelo mismo, éste ofrece el
fiel reflejo de la compleja interacción entre sus componentes.
En consecuencia, una vez realizados los relevamientos deflectométricos
con VB, pueden usarse como datos de insumo para establecer las
necesidades de refuerzo de la subrasante.
b) Tratamiento estadístico de los mejoramientos realizados
Con la finalidad de caracterizar los parámetros físico-mecánicos de los
suelos donde se optó por una subrasante mejorada, se tabularon los datos
más representativos de calidad de las subrasantes que fueron objeto de
mejoramiento en espesores de 0.40 y 0.70 m.
En las tablas 5 y 6 de las páginas siguientes se muestran los datos
correspondientes al tramo de prueba de 560 metros entre las progresivas
km. 324+570 al km. 325+130 del Tramo 3. En estas tablas se registran los
datos de los ensayos deflectométricos realizados antes del mejoramiento, y
que luego se confrontan con los ensayos deflectométricos efectuados
después de haber realizado los mejoramientos aludidos.
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Tabla Nº 5
ENSAYOS DEFLECTOMETRICOS ANTES DE MEJORAR LA SUBRASANTE
Datos de relevamientos de campo: CM.
Progr.
Deflexiones (0.01 mm.)
Nº
R
R5
L0
E0
CBR
RADIO DE
h=
mejorada
Lado
(km)
324+570
324+580
324+590
324+740
324+760
324+780
324+800
324+750
324+770
324+790
324+950
324+970
324+990
325+010
325+030
325+040
325+060
325+080
325+100
325+120
325+140
324+950
324+970
324+990
325+010
325+030
325+050
325+070
325+090
325+110
325+130
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
LD
D0
D25
D50
D75
D100
(cm)
(cm)
(cm)
(kg/cm2)
(%)
CURVATURA
cm
288
828
556
3156
2520
280
296
516
852
332
588
272
464
184
140
328
404
280
314
2708
632
1832
1636
500
2324
2096
768
428
436
1120
1200
168
428
296
1508
1240
140
196
204
452
152
260
132
224
104
80
148
168
164
138
1152
332
1172
1112
228
1124
816
448
168
192
528
480
56
60
244
1032
852
40
60
60
44
28
204
108
124
20
56
104
132
140
78
848
300
604
876
120
788
396
308
64
84
380
388
20
24
208
628
568
24
20
16
24
8
140
92
80
8
48
72
80
96
54
668
252
132
612
40
460
268
272
28
60
276
300
4
12
176
272
412
12
8
4
16
4
92
52
44
4
24
32
24
36
22
360
168
32
448
8
48
208
200
20
36
104
64
30.4
26.0
33.7
23.9
24.6
25.0
33.8
20.7
26.6
23.1
22.4
24.3
24.2
28.6
35.4
22.8
21.4
50.0
22.3
21.8
37.5
36.3
55.5
23.0
24.2
20.5
36.4
20.6
22.3
23.6
20.8
30.4
26.0
33.7
23.9
24.6
25.0
33.8
20.7
26.6
23.1
22.4
24.3
24.2
28.6
35.4
22.8
21.4
50.0
22.3
21.8
37.5
36.3
55.5
23.0
24.2
20.5
36.4
20.6
22.3
23.6
20.8
14.8
11.7
17.0
10.2
10.8
11.1
17.1
7.0
12.2
9.5
9.0
10.5
10.4
13.6
18.1
9.3
8.0
27.4
8.9
8.4
19.5
18.7
30.9
9.5
10.5
6.4
18.8
6.8
8.9
10.0
7.3
156.8
58.7
75.9
15.5
19.5
174.8
142.0
70.6
56.6
145.8
80.6
180.2
105.6
253.9
290.4
146.5
108.5
109.4
150.2
16.8
61.6
21.8
17.1
96.6
21.1
13.2
51.8
79.6
108.4
43.6
32.5
1.6
0.6
0.8
0.2
0.2
1.7
1.4
0.7
0.6
1.5
0.8
1.8
1.1
2.5
2.9
1.5
1.1
1.1
1.5
0.2
0.6
0.2
0.2
1.0
0.2
0.1
0.5
0.8
1.1
0.4
0.3
26
8
12
2
2
22
31
10
8
17
10
22
13
39
52
17
13
27
18
2
10
5
6
11
3
2
10
12
13
5
4
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.50
0.50
0.40
0.40
0.40
0.40
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
CBR'S vs D0
VB
2000
1000
0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
2.5
3.0
CBR's (%)
Series1
h (Mejoramiento)
m.
1
2
3
1
2
3
4
1
2
3
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Parámetros de Evaluación : GFT
ALTURA DE MEJORAMIENTO
0.80
0.30
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
CBR's (%)
Series1
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Investigación Profesional
Tabla Nº 6
ENSAYOS DEFLECTOMETRICOS EN TRAMO DE SUBRASANTE
MEJORADA
Datos de relevamientos de campo: CM.
Progr.
Nº
Parametros de Evaluación : Lab. GFT
Deflexiones (0.01 mm.)
R
R5
L0
E0
CBR
RADIO DE
h=
mejorada
Lado
(km)
D0
D25
D50 D75 D100
(cm)
(cm) (cm)
(kg/cm2)
(%)
CURVATURA
cm
1
324+570
Der
48
36
28
20
12
62.5
62.5 35.3
522.8
5.2
260
0.70
2
324+580
Der
56
48
34
28
24
75.0
75.0 43.1
378.7
3.8
391
0.70
3
324+590
Der
72
60
46
36
28
75.0
75.0 43.1
294.5
2.9
260
0.70
1
324+740
Der
108
76
36
28
20
38.8
38.8 20.3
351.3
3.5
98
0.70
2
324+760
Der
148 108
80
40
20
53.8
53.8 29.8
194.3
1.9
78
0.70
3
324+780
Der
84
64
32
16
8
42.2
42.2 22.5
421.6
4.2
156
0.70
4
324+800
Der
60
40
24
12
10
40.6
40.6 21.5
608.8
6.1
156
0.70
1
324+740
Izq
80
60
48
36
28
66.7
66.7 37.9
295.7
3.0
156
0.70
2
324+760
Izq
84
68
32
16
8
43.1
43.1 23.0
414.5
4.1
195
0.70
3
324+780
Izq
76
64
32
20
16
45.3
45.3 24.4
438.9
4.4
260
0.70
1
324+950
Izq
72
60
32
16
8
46.4
46.4 25.2
453.8
4.5
260
0.70
2
324+970
Izq
76
60
44
32
16
62.5
62.5 35.3
330.2
3.3
195
0.70
3
324+990
Izq
60
44
20
12
8
39.6
39.6 20.8
621.7
6.2
195
0.70
4
325+010
Izq
68
52
36
16
8
52.5
52.5 29.0
431.7
4.3
195
0.50
5
325+030
Izq
60
48
28
12
4
47.5
47.5 25.8
534.0
5.3
260
0.50
1
325+040
Izq
72
60
44
20
8
58.3
58.3 32.7
371.1
3.7
260
0.40
2
325+060
Izq
52
44
28
16
12
54.2
54.2 30.0
549.1
5.5
391
0.40
3
325+080
Izq
60
52
36
20
12
59.4
59.4 33.3
438.2
4.4
391
0.40
4
325+100
Izq
48
36
20
12
4
43.8
43.8 23.5
715.8
7.2
260
0.40
5
325+120
Izq
52
40
20
8
4
42.5
42.5 22.7
676.9
6.8
260
0.70
6
325+140
Izq
56
44
28
16
8
50.0
50.0 27.4
547.2
5.5
260
0.70
1
324+950
Der
44
36
24
16
12
56.3
56.3 31.3
627.4
6.3
391
0.70
2
324+970
Der
60
40
20
12
10
37.5
37.5 19.5
648.7
6.5
156
0.70
3
324+990
Der
44
36
20
12
8
46.9
46.9 25.4
736.5
7.4
391
0.70
4
325+010
Der
56
44
32
20
12
58.3
58.3 32.7
477.1
4.8
260
0.70
5
325+030
Der
92
64
32
20
12
39.1
39.1 20.5
409.7
4.1
112
0.70
6
325+050
Der
72
52
36
24
20
50.0
50.0 27.4
425.6
4.3
156
0.70
7
325+070
Der
60
48
32
20
12
54.2
54.2 30.0
475.9
4.8
260
0.70
8
325+090
Der
76
68
44
24
16
57.5
57.5 32.1
356.1
3.6
391
0.70
9
325+110
Der
68
60
40
24
16
59.4
59.4 33.3
386.7
3.9
391
0.70
10
325+130
Der
60
48
32
20
12
54.2
54.2 30.0
475.9
4.8
260
0.70
h= 40 cm
Lmedia
h = 70 cm.
58.0
Lmedia
52.8
VB
160
140
120
100
80
60
40
20
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
CBR's (%)
Series1
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18
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3.2.- CARACTERIZACION DE LAS SUBRASANTES MEJORADAS
Adicionalmente a las deflexiones registradas para los mejoramientos ya
realizados, esa información deflectométrica resultó muy valiosa no solo
para la calibración de las deflexiones en obra, sino también
fundamentalmente han servido para correlacionar las resiliencias obtenidas
mediante la Viga Benkelman (Eo) con los CBR’s y los espesores de
mejoramiento en la subrasante.
Habiéndose realizado los ensayos de laboratorio a las muestras
provenientes de la subrasante mejorada, a partir de este sector
representativo se pudo establecer lo siguiente:
a) Como es natural para este tipo de suelos, el límite líquido casi en todos
los casos era mayor que la humedad natural. El hecho más importante
es que la humedad natural era muy cercana o inclusive llegaba a
igualarse al límite líquido (ver el gráfico siguiente).En tales condiciones,
es obvio que resultaba imposible poder alcanzar el grado de
compactación exigido en las Especificaciones Técnicas.
55.0
HUMEDAD (% )
45.0
35.0
25.0
15.0
Limite Liquido
Limite Plastico
Humedad Natural
308+000
307+500
307+000
306+500
306+000
305+500
305+000
304+500
304+000
303+500
303+000
302+500
302+000
301+500
301+000
300+500
5.0
PROGRESIVA (m)
b) La densidad natural de los suelos era baja como consecuencia de su
elevado contenido de humedad, en tales condiciones su capacidad de
soporte (CBR) resultaba naturalmente baja (ver el gráfico siguiente).
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c) Los índices de consistencia de los suelos correspondientes a su matriz
limo-arcillosa eran en su gran mayoría menores a 0.70 (ver el gráfico
siguiente), al que, naturalmente correspondían valores muy bajos de CBR.
4.-
ANALISIS DE LOS RESULTADOS
4.1.- ALTERNATIVAS GENERICAS DE MEJORAMIENTO
Dentro de las posibles alternativas genéricas de mejoramiento de
subrasantes, para las condiciones de esa obra, se podían considerar
someramente las siguientes:
a. Disminución del contenido de humedad del suelo natural.
b. Estabilización química (utilizando cal o cemento).
c. Uso de geosintéticos (principalmente geomallas).
d. Reemplazo de material (estabilización mecánica).
En el siguiente cuadro se resumen las ventajas y desventajas de cada una
de las alternativas consideradas:
Tabla N° 7
ALTERNATIVAS GENERALES DE MEJORAMIENTO
DE SUBRASANTES NO COMPETENTES
Alternativa
Ventajas
Desventajas
Disminución
del contenido
de humedad
Si el C.B.R. era ≥ 9%,
podría resultar más
económico, al no ser
estrictamente
necesario su
reemplazo.
Requiere tiempo considerable
para el secado, lo que afecta el
ritmo de avance de los
trabajos, además resulta
riesgoso pues se tendrían
trechos abiertos expuestos a
los cambios climáticos de una
región muy lluviosa.
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20
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Investigación Profesional
Estabilización
química (cal o
cemento)
Se logra un ahorro al
evitar el transporte de
material de
mejoramiento.
Costo antieconómico; además
de que el avance es lento
debido a que debe trabajarse
con equipamiento especial.
Uso de
Geosintéticos
(geomalla)
Menor o nulo espesor
de transporte de
material de
mejoramiento.
La solución resultaba más
antieconómica que la anterior,
además de que no se tenía
previsto este insumo.
Rápido y económico
Reemplazo
debido a la
de material
disponibilidad de
Prácticamente ninguna.
(estabilización
material granular en la
mecánica)
región.
De esta rápida comparación, ‒ que habitualmente se repite en casi todo
tipo de obras de esta naturaleza ‒ resulta claro que la estabilización
mecánica mediante el reemplazo del material no competente por otro de
mejores características, resulta la más conveniente, tanto en términos
económicos como en términos de ejecución de obra.
4.2.- MEJORAMIENTO DE SUBRASANTE EN FUNCION A CORRELACION
DEFLECTOMETRICA
4.2.1. Trabajos previos de Estabilización Química en el Tramo 2I de Conirsa
El paquete estructural del pavimento correspondiente al Tramo 2 de
Conirsa (entre Iñapari-Puente Inambari) fue conceptualizado en base a
estabilización química mediante capa sub-base de suelo-cal y capa base
de suelo-cemento. Este diseño fue realizado fundamentalmente debido a la
escasez de materiales granulares en toda esa región amazónica.
El consultor de apoyo de ese proyecto Ing. Rodrigo Vasconcellos (ver el
Anexo 2); luego del estudio realizado al respecto, presentó octubre de 2007
un reporte titulado “Metodología alternativa de aprovechamiento del soporte
existente con la evaluación estructural previa del pavimento en las
condiciones actuales”. En ese trabajo se determinaron los espesores
necesarios de reemplazo localizado con suelo de CBR mínimo de 30% e
incorporación de cal al 2% en peso en diferentes espesores de
estabilización química, para bajar la deflexión al valor admisible de 107
1/100 mm.
Si bien esa solución era aplicable a esa región por la carencia de
materiales granulares, sin embargo es necesario admitir que tal
procedimiento es completamente singular y atípico ya que su práctica no
resulta replicable en regiones donde los mejoramientos en su mayor parte
pueden y suelen realizarse con suelos granulares.
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La metodología de los espesores de mejoramientos realizados en función a
las deflexiones máximas de ese proyecto se muestra en el siguiente
cuadro:
Tabla N° 8
ACCIONES CORRECTIVAS PROPUESTAS EN BASE A LA
CAPACIDAD ESTRUCTURAL DE LA SUBRASANTE EXISTENTE
Rango de Deflexiones Características
D0
Característico
<= 107 mm/100
Espesor Requerido
de Tratamiento con
2% de cal
Acciones a Ejecutar para la
Continuidad de la Obra
0,0 cm
Ejecutar la Subbase
108 mm/100 < D0
Característico<
= 120 mm/100
23 cm
Tratar 23 cm del suelo local con
2% de cal y ejecutar la subbase
120 mm/100 < D0
Característico<
= 135 mm/100
29 cm
Tratar 29 cm del suelo local con
2% de cal y ejecutar la subbase
135 mm/100 < D0
Característico<
= 150 mm/100
34 cm
Tratar 19 cm del suelo local con
2% de cal y elevar la rasante en
15 cm con material de CBR
>=30% y ejecutar la subbase
150 mm/100 < D0
Característico<
= 175 mm/100
42 cm
Tratar 22 cm del suelo local con
2% de cal y elevar la rasante en
20 cm con material de CBR
>=30% y ejecutar la subbase
175 mm/100 < D0
Característico<
= 200 mm/100
50 cm
Tratar 30 cm del suelo local con
2% de cal y elevar la rasante en
20 cm con material de CBR
>=30% y ejecutar la subbase
57 cm
Reemplazo del Material con 57
cm de Espesor ó elevación de la
rasante en 57 cm con material
de CBR >= 30%
D0
Característico
> 200 mm/100
Como se reportó anteriormente, las acciones correctivas propuestas se
realizaban luego de evidenciar mediante la VB la inestabilidad de algún
estrato subyacente, y seguidamente se procedía con el mejoramiento en
base a la incorporación de cal al 2% en los espesores arriba indicados.
Adicionalmente, su validez fue objeto de estricto monitoreo mediante las
verificaciones de campo y como resultado de esa calibración, se afinó el
procedimiento constructivo, de tal modo que sea aplicable a zonas
similares que requieran mejoramiento con estabilización química.
4.2.2. Investigación analítica entre Viga Benkelman y CBR
Aplicando la fórmula de Burmister, se han realizado cálculos para las
deflexiones teóricas previsibles entre dos capas en la interfase del sistema
suelo-pavimento: la primera con espesores variables de material de
mejoramiento con CBR mínimo de 30% y la capa subyacente del suelo
natural con CBR variable desde 3% hasta 10%. Como resultado de estos
cálculos, se calcularon analíticamente los espesores necesarios de
refuerzo para obtener en cada caso una deflexión máxima admisible de 92
1/100 mm. a nivel de la subrasante mejorada.
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22
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Tal como se explicó en el numeral 3.1.2, recordemos que la fórmula de la
deflexión vertical para dos capas que fuera propuesta por Burmister es la
siguiente:
Δ = 1.5 * [(p* a)/E2]*F2
(ecuación 3)
Donde:
Δ=
p=
a=
E2 =
F2 =
Deflexión: (10^-2 mm).
Presión de inflado de la llanta (5.64 kg/cm2).
Radio de contacto (10.79 cm).
Módulo resiliente del terreno de fundación.
Factor resultante de los módulos Resiliente y z/a
En la resolución de la ecuación anterior se consideró lo siguiente:
E1 = Modulo resiliente del material de mejoramiento.
CBRmejoram. = 30%
E1 = 15,000 psi. = 1055 kg/cm2
Con estos datos, se verificó en cada caso que la solución de mejoramiento
a través de la incorporación de material con CBR min. del 30% verifique
que la deflexión resulte la máxima esperada, aplicando los coeficientes de
ajuste determinados en las pruebas de calibración previamente realizadas.
Los resultados se muestran en la Tabla Nº 9.
De este modo se llegó a una propuesta de espesores de mejoramiento en
base a la determinación previa de la deflexión máxima admisible en
subrasantes con CBR inferior al 10%.
Tabla N° 9
MEJORAMIENTO SISTEMATIZADO DE SUBRASANTE NO COMPETENTE
MEDIANTE REEMPLAZO DE MATERIAL
CBRsuelo
natural
de
fundación
p
a
(kg/cm2) (cm)
Mr
(psi)
E1(Kg/cm2
E2
)
(Kg/cm2)
E2/E1
F2
Espesor
min. de
mejoram.
(cm)
3%
5.64
10.79
4,410
1,055
310
0.29
0.31
70
4%
5.64
10.79
6,005
1,055
414
0.39
0.42
65
5%
5.64
10.79
7,499
1,055
517
0.49
0.52
60
6%
5.64
10.79
9,008
1,055
621
0.59
0.62
55
7%
5.64
10.79 10,502
1,055
724
0.69
0.73
35
8%
5.64
10.79 11,996
1,055
827
0.78
0.82
30
9%
5.64
10.79 13,504
1,055
931
0.88
0.93
10
10%
5.64
10.79 15,000
1,055
1,034
0.98
1.00
0
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23
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4.2.3. Correlación existente entre espesores de mejoramiento y CBR
A partir de los valores encontrados en la Tabla Nº 9, se procedió a la
graficación de los valores correspondientes a los diferentes CBR’s en el
rango de 3% al 10% con respecto a los diferentes valores de espesores de
mejoramiento realizados y la aplicación de las deflexiones teóricas
esperadas.
Estas deflexiones luego fueron ajustadas mediante la aplicación de los
coeficientes de ajuste encontrados en la calibración de las deflexiones de
obra (Tabla Nº 4). De este modo, con la incorporación del material de
mejoramiento de un CBR no menor al 30%, se garantizaba que las
deflexiones no puedan exceder a las deflexiones máximas permisibles a
nivel de la subrasante del pavimento.
La correlación realizada se muestra en la Tabla Nº 10 de la siguiente
página. Para efectos prácticos se expresó mediante una regresión lineal
cuya ecuación es la siguiente:
y = -10.417x + 108.33
En base a los datos que arrojaba esta regresión, se pudieron determinar
inequívocamente los espesores de mejoramiento correspondientes.
4.2.4. Procedimiento de correlación de deflexiones de subrasante natural
con espesores variables de material incorporado con CBRmin. de 30%
Los procedimientos anteriormente descritos acerca de las correlaciones
existentes entre los CBR’s de subrasantes con baja capacidad portante y
las deflexiones correspondientes al suelo natural de fundación subyacente
a la estructura del pavimento, pudieron ser sistematizados a través de la
determinación de espesores de material de mejoramiento con un CBR no
menor al 30% debidamente sustentados en previas pruebas de calibración
y deflexiones máximas registradas en ese tramo de prueba.
La metodología teórica anteriormente descrita proporcionaba espesores en
estricta correspondencia con los valores introducidos. Así por ejemplo, los
valores resultantes en los extremos de la regresión lineal de la Tabla Nº 10
eran los siguientes:
Para un CBR = 3% → espesor resultante h = 77.08 cm.
Para un CBR = 10% → espesor resultante h = 4.16 cm.
Naturalmente que no era posible aplicar estos valores así discretizados en
la ejecución de obra, considerando que una aproximación al centímetro ya
es bastante exigente para los propósitos que se persiguen.
Considerando las incertidumbres implícitamente presentes en toda
innovación de ejecución, se tomaron valores redondeados que puedan
resultar prácticos en la ejecución de los mejoramientos de subrasantes. De
este modo, se aplicó la Tabla Nº 11 que se muestra en la página subsiguiente.
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Tabla Nº 10
Grafico para espesores de subrasante mejorada
CBR
%
Mejoramiento
( cm)
3
4
5
6
7
8
9
10
80
65
60
55
35
30
10
0
80
70
Espesor de h ( cm)
60
TSB
CAPA BASE
CAPA SUB-BASE
SUB RASANTE MEJORADA
y = -10.417x + 108.33
CBR min = 30%
h
50
40
30
20
10
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
C.B.R (%)
NOTA
Este gráfico fue elaborado a partir de la calibración de la Teoría de Burmister para doble capa
con espesores de material de mejoramiento para un CBR mínimo de 30%
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Tabla Nº 11
ESPESORES DE MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES DE BAJA CAPACIDAD PORTANTE
VALORES
DE CBR (%)
RANGO DE DEFLEXIONES
CARACTERISTICAS
Espesor requerido de
Subrasante mejorada
Acciones definidas para
garantizar la deflexión máxima
3
D0característico> 200 mm/ 100
80 cm.
Mejorar la subrasante con 80 cm.
CBR>30%
4
185 mm/100 < D0característico<= 200 mm/ 100
65 cm.
Mejorar la subrasante con 65 cm.
CBR>30%
5
165 mm/100 <D0 característico<= 185 mm/ 100
60 cm.
Mejorar la subrasante con 60 cm.
CBR>30%
6
145 mm/100 < D0 característico<= 165 mm/ 100
55 cm.
Mejorar la subrasante con 55 cm.
CBR>30%
7
120 mm/100 < D0característico<= 145 mm/ 100
35 cm.
Mejorar la subrasante con 35 cm.
CBR>30%
8
105 mm/100 < D0característico<= 120 mm/ 100
20 cm.
Mejorar la subrasante con 20 cm.
CBR>30%
9
90 mm/100 < D0 característico<= 105 mm/ 100
10 cm.
Mejorar la subrasante con 10 cm.
CBR>30%
10
D0característico<= 90 mm/ 100
5cm.
Mejorar la subrasante con 5 cm. CBR>30%
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26
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5.-
Investigación Profesional
CONCLUSIONES
De acuerdo a los análisis efectuados y los resultados obtenidos, se
puede concluir válidamente lo siguiente:
Para que la estructura de un pavimento se comporte adecuadamente y
cumpla el período de diseño, a nivel de subrasante registrará una
deflexión no mayor de 2.0 mm. para cargas estáticas transmitidas por
un eje estándar de 80 kN. Esta deflexión máxima, bajo carga estática,
puede ser medida con a Viga Benkelman. Esto significa que para
deflexiones mayores, se deberá proceder con el mejoramiento de la
subrasante.
En apoyo de esta primera conclusión, por ejemplo, los reglamentos
viales estatales en EE.UU. recomiendan que el valor CBR de la
subrasante natural del suelo de fundación deba ser como mínimo entre 8
a 10%. Caso contrario, se estipula primero estabilizar el suelo natural
subyacente antes de construir la estructura del pavimento.
En general, en los trabajos de explanaciones, los mejoramientos de
subrasante resultan casi inevitables en sectores puntuales con déficit de
resistencia del suelo. El mejoramiento se efectúa fundamentalmente en
base a las condiciones reales en las que se encuentra el suelo natural
de fundación.
De todas las alternativas factibles para efectuar el mejoramiento de
subrasantes, la más económica resulta incuestionablemente el
reemplazo del material inadecuado, especialmente en las regiones
donde se tiene disponibilidad de este tipo de material a un costo
relativamente económico.
Considerando la imposibilidad técnica de compactar materiales sobre
suelos con CBR’s deficitarios, la capa de mejoramiento de la subrasante
debe conformarse ‒según las experiencias realizadas‒ con materiales
provenientes de canteras que tengan un CBR igual o mayoral 30%.
Los cálculos teóricos para las correlaciones fueron efectuados siguiendo
el modelo de Burmister para doble capa y, los resultados obtenidos han
permitido definir nítidamente la profundidad y consecuentemente el
espesor necesario para lograr cada mejoramiento.
La metodología aplicada resumidamente fue la siguiente: en base a una
apreciable cantidad de ensayos de CBR realizados como parte del
procedimiento rutinario en los trabajos de campo, se realizaron sus
ensayos deflectométricos respectivos con VB, de tal modo que sirvió a
dos propósitos: a) calibrar las deflexiones para espesores conocidos de
0,40 y 0,70 m. de espesores de mejoramiento de subrasante y, b)
realizar el tratamiento estadístico con los módulos resilientes y los CBR’s
inferidos.
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27
Premio Graña y Montero
Investigación Profesional
Es conocido que existen dos enfoques para el análisis del cálculo
inverso para identificar las propiedades de los materiales. El retro
análisis inverso y el retro análisis directo. El retro análisis inverso adopta
un “criterio de error de ecuación” que minimiza los errores de la ecuación
de respuesta para estimar las deflexiones. El retro análisis directo es
una aproximación basada en minimizar el “error de salidas de
resultados”, por ejemplo la diferencia entre deflexiones medidas y
calculadas.
Precisamente, se ha acudido a este último enfoque para plantear un
modelo sencillo ya que tiene la cualidad de clarificar y nos ayuda a
resolver el funcionamiento del sistema cuando la presión ejercida por las
ruedas es tan alta que no puede ser soportada por el suelo subyacente.
Como la estructura del pavimento reparte la carga para llevarla lo más
mitigadamente posible a la subrasante, entonces la solución al problema
consistió en determinar el espesor que logre disipar la cantidad de
esfuerzo transmitido.
Académicamente, se conoce que la reología de los materiales revela
que su comportamiento es ciertamente viscoelástico, en función del
estado de esfuerzos, tiempo de aplicación de las cargas y de la
temperatura. De la misma forma, se admite que sus materiales
granulares constituyentes responden a las cargas, en función a su
densidad y humedad y, se sabe que su comportamiento tampoco es
lineal ya que depende en gran medida de las características del suelo
natural subyacente.
Sin embargo, por simplicidad de método, para la aplicación de esta
metodología, se asume un comportamiento lineal entre los esfuerzos y
deformaciones, por lo que tácitamente se acepta que esos materiales
trabajan dentro de su rango elástico.
6.-
POSIBILIDADES DE APLICACION
En la construcción de carreteras, habitualmente los métodos de
mejoramiento de subrasantes, son en su mayoría empíricos; es decir,
que la experiencia previa del Ingeniero juega un rol muy importante. Se
requiere contar con ciertos años de práctica probada en este rubro para
poder garantizar los resultados de estabilidad del paquete estructural.
En las regiones con alta pluviometría, los estratos de suelo natural se
presentan generalmente de consistencia blanda por el exceso de
humedad, lo cual no permite su compactación hasta alcanzar la
densidad deseada. De este hecho, se deduce válidamente que, en los
trabajos de explanaciones para subrasantes, ciertos suelos no
necesariamente son reemplazados porque se traten de suelos no
competentes, sino por su falta de suficiente consistencia debido a la
presencia de humedad excesiva.
En la mayoría de los casos el exceso de humedad se debe a la
presencia de líneas de flujo sub-superficiales no advertidas
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28
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Investigación Profesional
oportunamente por los estudios geotécnicos. Esto suele ocurrir
especialmente durante la formulación del Proyecto, ya que no resulta
posible detectar superficialmente todos los sectores puntuales que
requerirán mejoramientos, especialmente cuando las prospecciones de
suelos se efectuaron en forma masiva y expeditiva.
Antes, era práctica común determinar la falta de capacidad portante
mediante la realización intensiva de ensayos de CBR. Sin embargo
somos conscientes que la realización de estos ensayos exige un tiempo
referencial no menor de 4 días solo para la prueba de laboratorio, en el
mejor de los casos. A esto se suma el hecho de que al ser un valor
determinístico (fijo) que expresa el potencial que tiene el suelo o el
material respecto a su resistencia, entonces es un parámetro que debe
estar condicionado al completo entendimiento de sus limitaciones y
debería ser considerado meramente solo como un valor orientador.
Tomando en cuenta todos estos argumentos complementarios, se
concluye nítidamente que las posibilidades de aplicación son
inmediatas y con una pequeña dosis de inferencia analítica se puede
hacer extensiva a cualquier tipo de suelo y/o proyecto carretero en
construcción. Esta investigación viene a llenar una sentida necesidad de
los ingenieros de carreteras y sabrá ser adecuadamente apreciado por
los colegas concernidos en esta temática.
Sin embargo, es necesario reconocer que a pesar de los esfuerzos
desplegados para recopilar el estado actual del conocimiento científico
de este rubro, debemos reconocer que los trabajos son aún insuficientes
para pensar que se dispone de una suficiente gama de aportes.
Entonces, la validez de nuevos ensayos sujetos a evaluaciones de
laboratorio y posteriores verificaciones de campo; es una tarea
pendiente que podría favorecer nuestro mayor conocimiento del mismo.
En ese sentido, se recomienda realizar el mismo tipo de experiencias y
metodología que las realizadas para el presente trabajo, a otros tipos de
suelos y proyectos viales, para ampliar el universo de experimentos
análogos y así poder establecer paralelismos más pertinentes.
Tomando en cuenta que los trabajos de la partida de subrasante se
efectúan generalmente de una forma masiva, resulta necesario efectuar
los trabajos de mejoramiento en una forma rápida, sencilla y eficaz,
aplicando esta metodología y validando con los registros de campo, a
objeto de inferir la capacidad portante del suelo de fundación mediante
deflexiones de VB y definir los espesores de mejoramiento a partir de los
criterios expresados según se muestra en la Tabla N° 11.
Este método simplificado facilitará en la práctica la rápida verificación,
para condiciones reales de campo de los valores de refuerzo de la
subrasante a utilizar como una adecuada respuesta en relación a la
capacidad resistente de los suelos.
Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott
29
Premio Graña y Montero
Investigación Profesional
Reflexiones finales
Existen actualmente una apreciable cantidad de trabajos de correlación
realizados entre ciertos métodos convencionales y alternativos tales
como el CBR y SPT, cono dinámico y SPT, penetrómetro con anillo de
carga vs Proctor/CBR y compactómetro electrónico vs. Proctor y CBR.
El método descrito se aboca a contribuir en la solución confiable del
mejoramiento de subrasantes en base a correlación entre CBR y
ensayos deflectométricos con VB, de tal modo que coadyuve en la
celeridad de los trabajos de campo y garantice la solvencia técnica de
las respuestas ofrecidas. Naturalmente que en la emulación de otros
estudios que se puedan emprender a futuro, sería deseable de contar
además con toda la sistematización y el grado de sofisticación que se
desee añadirle, para afinar sus resultados.
Esto es posible, tomando en cuenta la gran capacidad de las
herramientas computacionales actuales, que con una adecuada
sistematización de sus registros de campo, se puede mejorar
sustantivamente las analogías con otros métodos equivalentes para
perfeccionar los vínculos entre las deflexiones y los mejoramientos
subsecuentes.
Por lo tanto; uno de los desafíos contraídos es desarrollar a futuro
modelos de respuesta que puedan describir lo más certeramente posible
el comportamiento real de las subrasantes en su interacción con los
materiales del pavimento durante su vida de servicio.
La continuación de trabajos de investigación así como la identificación y
análisis de los diferentes tipos de modelos análogos debería suscitar
mucha atención e interés motivados por el gran beneficio potencial de la
rapidez de la evaluación y la economía lograda en sus resultados.
Así, se podrá llegar con el cálculo directo a un diseño óptimo, lo que
conducirá a que se logre una adecuada combinación de espesores que
cumplan con el propósito buscado.
Las bases están dadas a través de la presentación de estos resultados y
solo resta profundizar la validez y confiablidad de esta nueva
herramienta desarrollada.
Lima, marzo de 2013.
Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott
30
ANEXOS
ANEXO DE BIBLIOGRAFIA UTILIZADA
Alhvin, R.G., y Ulery, H. H.[1962], “ Tabulated Values for Determining the
Complete Pattern of Stresses, Strains and Deflections Beneath a
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l’équilibre et du mouvement des solideselastiques”. Gauthier-Villars,
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No.2, pp. 89-96; No. 3, pp.126-127; No. 5, pp. 296-302.
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suelo de fundación mediante método mecanístico-empírico”. Curso
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de Arequipa..
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Roads and of the Vehicles that used them”. Pavements, Chapter 7.p.240.
Rutgers University Press. Introducción del método para evaluar las
propiedades de los materiales en base al California Bearing Ratio (CBR)
– 1930.
Minaya G. Silena y Ordoñez H. Abel [2006] “Diseño Moderno de
Pavimentos Asfalticos” Segunda Edición – Lima.
Vasconcellos, Rodrigo.[2006] “Nuevas Técnicas de Estabilización de
Suelos y Reciclado de Pavimento con el uso de Cemento Portland”,
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Westergaard H.M. [1926] “Stresses in Concrete Pavements Computed
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Yoder, E. J. y Witczak, M. W. [1975]“Principles Of Pavement Design”.
Second Edition. Jhon Wiley & Sons, Inc.