UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA CIVIL “ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO” Proyecto de Grado presentado para obtener el título de Ingeniero Civil POSTULANTE: Egr. CORTÉZ AGUIRRE DANIELA MICHEL TUTORES DEL PROYECTO: Ing. DELGADILLO ZURITA MARCELO Ing. FLORES LAURA PERCY Ing. CLAURE SALINAS JORGE LA PAZ – BOLIVIA 2019 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS FACULTAD DE INGENIERIA LA FACULTAD DE INGENIERIA DE LA UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS AUTORIZA EL USO DE LA INFORMACIÓN CONTENIDA EN ESTE DOCUMENTO SI LOS PROPÓSITOS SON ESTRICTAMENTE ACADÉMICOS. LICENCIA DE USO El usuario está autorizado a: a) Visualizar el documento mediante el uso de un ordenador o dispositivo móvil. b) Copiar, almacenar o imprimir si ha de ser de uso exclusivamente personal y privado. c) Copiar textualmente parte(s) de su contenido mencionando la fuente y/o haciendo la cita o referencia correspondiente en apego a las normas de redacción e investigación. El usuario no puede publicar, distribuir o realizar emisión o exhibición alguna de este material, sin la autorización correspondiente. TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS. EL USO NO AUTORIZADO DE LOS CONTENIDOS PUBLICADOS EN ESTE SITIO DERIVARA EN EL INICIO DE ACCIONES LEGALES CONTEMPLADAS EN LA LEY DE DERECHOS DE AUTOR. DEDICATORIA A mi madre por el sacrificio y apoyo incondicional dado en toda esta etapa, con su amor, perseverancia, fortaleza y paciencia logró instruirme de buenos principios y valores. AGRADECIMIENTOS Quiero Agradecer: Principalmente a Dios por ser mi guía y compañero en todo momento, por iluminar mi camino en mi vida. A la Universidad Mayor de San Andrés y la Facultad de Ingeniería por haberme permitido formarme en sus aulas. A la Administradora Boliviana de Carreteras por abrirme las puertas de su establecimiento, permitiéndome hacer uso de sus equipos e impartirme enseñanzas a través de sus profesionales. A mis tutores Ing. Marcelo Delgadillo, Ing. Percy Flores e Ing. Jorge Salinas por la guía otorgada en toda esta etapa que con entusiasmo y paciencia supieron dirigirme. Al personal del Instituto de Ensayo de Materiales UMSA del área de suelos por el apoyo dado en mi estancia como beca trabajo. A mis padres Marisol y Rolando, mi padrastro Jonathan y mi hermana Cecilia por el soporte, paciencia y orientación que dieron durante mi vida, impulsándome para poder cumplir un objetivo de vida, la carrera profesional, el legado más importante que pudiera recibir. ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Autor: Daniela Michel Cortéz Aguirre Correo Electrónico: [email protected] RESUMEN Con el objetivo de analizar la variabilidad que produce la disminución del Índice de Plasticidad (IP) en el módulo resiliente, se realizaron pruebas triaxiales cíclicas, aplicando la metodología de ensayo AASHTO T-307, añadiendo arena a los suelos arcillosos de Cota Cota. Se mezcló la arcilla con arena de Achocalla en diferentes proporciones hasta llegar a 10%, 9%, 8% y 6% de valores IP, de las mezclas resultantes fueron evaluadas sus propiedades mecánicas y dinámicas (CBR y Módulo Resiliente). El estudio demostró una mejora significativa en la capacidad del suelo para soportar ciclos de carga y descarga, pero limitado a pequeños porcentajes de arena incorporada, ya que cantidades elevadas ha demostrado ser perjudicial. También se concluyó que el modelo de predicción que mejor se ajusta al comportamiento resiliente del material arcilloso, es el modelo “k-θ”. Comparando los resultados obtenidos en laboratorio, con los calculados usando correlaciones empíricas entre Mr y CBR, se ha determinado que la ecuación de TRRL LISTER es la que más se aproxima a los valores experimentales para el suelo y mezclas estudiadas. Analizando el diseño MEPDG, se pudo establecer que elegir una correlación CBR-Mr inadecuada para la subrasante puede provocar sobredimensionamiento en el diseño del paquete estructural y se demuestra la importancia de determinar el Mr experimentalmente. PALABRAS CLAVE: Módulo Resiliente, Índice de Plasticidad, CBR, modelo de predicción, arena, arcilla, correlación, empírico. ANALYSIS OF THE VARIABILITY IN THE RESILIENT MODULE, IMPROVING THE PLASTICITY OF A CLAY FLOOR FOR USE IN THE SUBGRADE OF A RIGID PAVEMENT Author: Daniela Michel Cortéz Aguirre E-mail: [email protected] ABSTRACT In order to analyze the variability caused by the decrease in the Plasticity Index (IP) in the resilient module, cyclic triaxial tests were performed, applying the AASHTO T-307 test methodology, adding sand to the clay soils of Cota Cota in La Paz city Bolivia. The clay was mixed with Achocalla sand in different proportions to reach 10%, 9%, 8% and 6% of IP values, the resulting mixtures were evaluated for their mechanical and dynamic properties (CBR and Resilient Module). The study demonstrated a significant improvement in the ability of the soil to loading and unloading cycles, but limited to small percentages of incorporated sand, since high amounts have proven to be harmful. It was also concluded that the prediction model that best fits the resilient behavior of clay material is the “k-θ” model. Comparing the results obtained in the laboratory, with those calculated using empirical correlations between Mr and CBR, it has been determined that the TRRL LISTER equation is the closest to the experimental values for the soil and mixtures studied. Analyzing the MEPDG design, it was established that choosing an inappropriate CBR-Mr correlation for the subgrade may cause oversizing in the design of the structural package and demonstrates the importance of determining Mr experimentally. KEY WORDS: Resilient Module, Plasticity Index, CBR, prediction model, sand, clay, correlation, empirical. ÍNDICE CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 1 1.1. Planteamiento del Problema ........................................................................................... 2 1.2. Justificación de la Investigación ..................................................................................... 2 1.3. Antecedentes ................................................................................................................... 3 1.4. Objetivos ......................................................................................................................... 4 1.4.1. Objetivo General ....................................................................................................... 4 1.4.2. Objetivos Específicos................................................................................................ 4 1.5. Alcances .......................................................................................................................... 5 CAPÍTULO 2. 2.1. Pavimento ....................................................................................................................... 7 2.1.1. 2.2. MARCO TEÓRICO .......................................................................................... 7 Pavimento Rígido...................................................................................................... 7 Capa Subrasante .............................................................................................................. 8 2.2.1. Características de la subrasante ................................................................................ 8 2.2.2. Mezclas Arcilla - Arena ............................................................................................ 9 2.3. Índice de Plasticidad ..................................................................................................... 10 2.3.1. 2.4. Límites de Atterberg ............................................................................................... 10 Módulo Resiliente ......................................................................................................... 12 2.4.1. Determinación del Módulo Resiliente en Laboratorio ............................................ 14 2.4.2. Modelos matemáticos para la determinación del Mr .............................................. 20 2.4.3. Factores que afectan el módulo resiliente ............................................................... 23 2.4.4. Estimación del módulo resiliente ............................................................................ 24 2.5. Diseño Actual de Pavimentos ....................................................................................... 28 2.5.1. Metodología de Diseño Empírico Mecanicista (MEPDG) ..................................... 29 2.5.2. Diseño con el Método de la Portland Cement Association (PCA) ......................... 35 CAPÍTULO 3. METODOLOGÍA ........................................................................................... 44 3.1. Nivel de estudio ............................................................................................................ 45 3.2. Tipo de investigación .................................................................................................... 45 3.3. Procedimiento ............................................................................................................... 45 3.4. Apoyo ............................................................................................................................ 45 3.5. Lugar ............................................................................................................................. 45 CAPÍTULO 4. 4.1. Suelo Natural y Arena ................................................................................................... 46 CAPÍTULO 5. 5.1. DESARROLLO EXPERIMENTAL ............................................................... 46 RESULTADOS ............................................................................................... 50 Caracterización Suelo Natural ...................................................................................... 50 5.1.1. Granulometría por tamizado ................................................................................... 50 5.1.2. Límites de Consistencia .......................................................................................... 51 5.1.3. Clasificación ........................................................................................................... 52 5.1.4. Hidrometría ............................................................................................................. 53 5.1.5. Proctor Modificado ................................................................................................. 55 5.1.6. California Bearing Ratio ......................................................................................... 55 5.1.7. Módulo Resiliente ................................................................................................... 57 5.2. Mezcla Suelo-Arena...................................................................................................... 59 5.2.1. Determinación de la cantidad de arena a añadir ..................................................... 59 5.2.2. Clasificación de las mezclas ................................................................................... 62 5.2.3. Compactación mezclas de suelos ............................................................................ 62 5.2.4. California Bearing Ratio “CBR” ............................................................................ 64 5.2.5. Módulo Resiliente ................................................................................................... 67 CAPÍTULO 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS ...................................................................... 71 6.1. Análisis de la Incidencia del Índice de Plasticidad en el Módulo Resiliente................ 71 6.2. Comparación del Módulo Resiliente experimental con el obtenido mediante ecuaciones de correlación CBR-Mr............................................................................................................. 73 CAPÍTULO 7. EJEMPLO DE APLICACIÓN ....................................................................... 81 7.1. Datos generales ............................................................................................................. 81 7.2. Diseño MEPDG ............................................................................................................ 82 7.2.1. Criterios de comportamiento................................................................................... 82 7.2.2. Tráfico ..................................................................................................................... 83 7.2.3. Clima ....................................................................................................................... 83 7.2.4. Estructura ................................................................................................................ 83 7.2.5. Resultados de las comparaciones ............................................................................ 84 Siguiendo el mismo procedimiento, se calculó espesores para los módulos resilientes hallados por correlación. ......................................................................................................................... 87 7.3. Diseño PCA .................................................................................................................. 88 CAPÍTULO 8. CONCLUSIONES ........................................................................................... 91 CAPÍTULO 9. RECOMENDACIONES ................................................................................. 95 CAPÍTULO 10. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 97 LISTA DE FIGURAS Figura Nº2.1 Esquema del comportamiento de pavimentos. .................................................... 7 Figura Nº2.2 Límites de Atterberg. ........................................................................................... 11 Figura Nº2.3 Estado de esfuerzos del módulo resiliente. ........................................................ 13 Figura Nº2.4 Respuesta a un ciclo de carga y descarga......................................................... 14 Figura Nº2.5 Definición de los esfuerzos aplicados por el método de ensayo. ...................... 15 Figura Nº2.6 Unidad de regulación de presión. ...................................................................... 19 Figura Nº2.7 Equipo triaxial dinámico. .................................................................................... 20 Figura Nº2.8 Módulo resiliente Vs Bulk Stress. ...................................................................... 21 Figura Nº2.9 Relación entre el CBR, Índice de grupo y clasificación AASHTO (adaptada de ODOT 2008). .......................................................................................................................... 26 Figura Nº2.10 Procedimiento de diseño MEPDG. .................................................................. 30 Figura Nº2.11 Desempeño de los diseños en los pavimentos existentes. ............................... 31 Figura Nº 2.12 Datos de entrada. .............................................................................................. 34 Figura Nº2.13 Correlaciones aproximadas entre Valor Soporte (CBR) y Módulo de reacción “k”. ................................................................................................................................ 38 Figura Nº2.14 Proporción de camiones sobre el carril externo. ............................................ 42 Figura Nº3.1 Metodología. ........................................................................................................ 44 Figura Nº4.1 Desarrollo experimental. .................................................................................... 48 Figura Nº6.1 Esquema de espesores. ......................................................................................... 74 Figura Nº6.2 Resultados Pitra Pave. ........................................................................................ 75 Figura Nº7.1. Resumen de Resultados de confiabilidad. ......................................................... 84 Figura Nº7.2. Predicción de fallas ............................................................................................. 85 Figura Nº7.3. Eficiencia de transferencia de carga a través del tiempo. ............................... 85 Figura Nº7.4. Daño acumulativo en años .................................................................................. 86 Figura Nº7.5. Falla en losas fisuradas. ...................................................................................... 86 Figura Nº7.6. Predicción del IRI. .............................................................................................. 87 Figura Nº7.7.Datos ingresados a la planilla PCA..................................................................... 88 Figura Nº7.8.Datos del tráfico.................................................................................................... 89 Figura Nº7.9.Análisis por fatiga y erosión. ............................................................................... 89 Figura Nº7.10.Verificaión de estrés. .......................................................................................... 90 Figura Nº6.11.Resultados PCA. ................................................................................................. 90 LISTA DE TABLAS Tabla 2.1 Especificaciones técnicas para subrasante. ..................................................................... 9 Tabla 2.2 Secuencias de prueba para suelos de Subrasante. ......................................................... 17 Tabla 2.3 Secuencias de prueba para suelos de Subbase/base. ..................................................... 18 Tabla 2.4 Modelos para encontrar el Mr a partir del C.B.R. ........................................................ 25 Tabla 2.5 Valores típicos para materiales granulares y suelos sin estabilizar .............................. 26 Tabla 2.6. Módulo k para Bases granulares…………………………………………………….37 Tabla 2.7 Módulo k para bases cementadas .................................................................................. 39 Tabla 4.1. Ensayos de Mecánica de suelos ................................................................................... 47 Tabla 5.1. Distribución granulométrica por tamizado. ................................................................. 50 Tabla 5.2. Composición porcentual de las muestras ..................................................................... 51 Tabla 5.3. Determinación del índice de plasticidad ...................................................................... 52 Tabla 5.4. Clasificación de Suelo ................................................................................................. 52 Tabla 5.5. Distribución granulométrica por hidrometría. ............................................................. 53 Tabla 5.6. Resultados Proctor Modificado. .................................................................................. 55 Tabla 5.7. Resultados ensayo CBR. .............................................................................................. 55 Tabla 5.8. Resultados ensayo Módulo Resiliente. ........................................................................ 57 Tabla 5.9. Resultados de las constantes determinadas del gráfico. .............................................. 58 Tabla 5.10. Resumen de resultados del ensayo de límites de las mezclas .................................... 59 Tabla 5.11. Cantidades a usar para las mezclas ........................................................................... 62 Tabla 5.12. Clasificación de las mezclas ..................................................................................... 62 Tabla 5.13. Resultados de proctor en función de la arena añadida. .............................................. 63 Tabla 5.14. Resultados de penetración en función de arena añadida............................................ 65 Tabla 5.15. Resultados de expansión en función de arena añadida .............................................. 65 Tabla 5.16. Resultados de módulo resiliente. ............................................................................... 68 Tabla 5.17. Resultados del ajuste potencial. ................................................................................. 69 Tabla 5.18. Comparación de los resultados con las especificaciones técnicas. ............................ 70 Tabla 6.1. Datos para calcular el estado de tensiones. .................................................................. 74 Tabla 6.2.Resultados Pitra Pave.................................................................................................... 75 Tabla 6.3. Resultados Módulo resiliente experimental. ................................................................ 76 Tabla 6.4. Resultados Módulo resiliente experimental Modelo MEPDG. ................................... 77 Tabla 6.5. Resultados Módulo resiliente hallado por correlación CBR-Mr. ................................ 78 Tabla 6.6. Resultados del error. .................................................................................................... 78 Tabla N°6.7. Modelos para encontrar el Mr a partir del C.B.R. .................................................. 79 Tabla N°7.1 Composición vehicular. ............................................................................................ 81 Tabla N°7.2. Resultados de módulo resiliente a usar. .................................................................. 82 Tabla N°7.3. Resultados de espesores. ......................................................................................... 87 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico Nº5.1 Distribución granulométrica por tamizado suelo natural muestra 1. ................... 50 Gráfico N° 5.2 Distribución granulométrica por tamizado suelo natural muestra 2 .................. 51 Gráfico Nº 5.3 Límite líquido suelo natural muestra 1 .............................................................. 51 Gráfico Nº5.4 Límite líquido suelo natural muestra 2 ................................................................ 52 Gráfico Nº5.5 Distribución granulométrica por hidrometría muestra 1. ..................................... 54 Gráfico Nº5.6 Distribución granulométrica por hidrometría muestra 2. .................................... 54 Gráfico Nº5.7 Curva de peso unitario en función de la humedad................................................ 55 Gráfico Nº5.8 Presión Vs Penetración. ........................................................................................ 56 Gráfico Nº5.9 CBR Vs Peso Unitario Seco. ............................................................................... 56 Gráfico Nº5.10 Módulo Resiliente Vs Bulk Stress. ................................................................... 58 Gráfico Nº5.11 % Arena Vs Límite Líquido. ............................................................................. 59 Gráfico Nº5.12 % Arena Vs Límite Plástico. .............................................................................. 60 Gráfico Nº5.13 % Arena Vs IP. .................................................................................................. 60 Gráfico Nº5.14 % Arena, LL, LP................................................................................................ 61 Gráfico N°5.15 Humedad óptima, masa unitaria, % Arena........................................................ 63 Gráfico Nº5.16 Curvas de compactación Proctor. ...................................................................... 64 Gráfica Nº 5.17 CBR Vs %Arena Vs IP. ..................................................................................... 65 Gráfico Nº5.18 %Expansión Vs %Arena Vs IP. ......................................................................... 66 Gráfico Nº5.19 Curva de diseño granular. ................................................................................... 66 Gráfico Nº5.20 Resultados de módulo resiliente. ........................................................................ 69 Gráfico Nº6.1 Resultados de módulo resiliente en función del IP............................................... 72 Gráfico Nº6.2. Comparación de los modelos. ............................................................................. 77 Gráfico 6.3. Comparación Mr experimental Vs Mr teórico......................................................... 79 Gráfica Nº6.4. %Arena Vs Mr experimental Vs Mr teórico. ........................................................ 80 LISTA DE ANEXOS ANEXO A: ENSAYOS SUELO NATURAL ANEXO B: ENSAYOS MEZCLAS ANEXO C: DISEÑO MEPDG ANEXO D: DISEÑO PCA ANEXO E: MANUAL DE PROCEDIMIENTOS PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS MEDIANTE MODELOS DE DESEMPEÑO DE MEPDG ANEXO F: MANUAL DE PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINACIÓN DEL MÓDULO RESILIENTE CON EL EQUIPO TRIAXIAL DINÁMICO LISTA DE ABREVIACIONES MR Módulo Resiliente IP Índice de Plasticidad LL Límite Líquido LP Límite Plástico k Módulo de Reacción Mpa Mega Pascal Kpa Kilo Pascal TMDAC Tránsito Medio Diario Anual TMDA Tránsito Medio Diario Anual de Camiones FP Factor de Proyección PD Periodo de Diseño VP Cantidad Total de vehículos pesados FSC Factor de Seguridad de Cargas SN Suelo Natural E Módulo Elástico hi Espesor de la capa Zp Profundidad del punto P TPDA Tráfico Promedio Diario Anual LISTA DE ACRÓNIMOS UMSA Universidad Mayor de San Andrés ABC Administradora Boliviana de Carreteras AASHTO American Association of State Highway and Transportation Official ASTM American Society for Testing and Materials CBR California Bearing Ratio MEPDG Guía de Diseño Mecánico Empírico PCA Portland Cement Asociation IRI Índice de Regularidad Internacional LTPP Programa de Desempeño a largo plazo de Pavimentos FHWA Administradora Federal de Carreteras TRRL Transport and Road Research Laboratory ODOT Departamento de Transportes de Ohio SUCS Sistema Unificado de Clasificación de Suelos HDM Highway Development and Management ACPA Asociación Americana de Pavimento Rígido NCHRP Programa Cooperativo Nacional de Investigación de Carreteras PITRA Programa de Infraestructura del Transporte LANAMME Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales UCR Universidad de Costa Rica UMP Unidad de Materiales y Pavimentos ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN La metodología de diseño empírico-mecanicista permite mejorar la aproximación a la compleja realidad del comportamiento estructural de las capas de pavimento, en base al análisis de los esfuerzos y deformaciones introducidas por las cargas del tránsito y del clima. También incorporan directamente en el diseño, el conocimiento actual del comportamiento de los materiales bajo condiciones de pruebas representativas. Este tipo de prueba es la determinación del módulo resiliente, que recrea de forma más real el estado de esfuerzos y de deformaciones al que se ve sometido el suelo de fundación o suelo de subrasante. (Sesma Martínez, Gómez López, & Garnica Anguas, 2002).1 La estabilidad de la sub rasante de un pavimento es un elemento determinante para la durabilidad de tan sustancial parte de la infraestructura vial, siendo la plasticidad del suelo que conforma la sub rasante una propiedad importante a la hora de establecer la resistencia del sub suelo en términos de la tensión – deformación de los suelos. Este aspecto referido al índice de plasticidad (IP), es el indicador más importante no sólo en el sentido de medir la plasticidad de un material sino conocer los límites de resistencia que se derivan de un mayor o menor contenido del IP, por lo que medir el módulo resiliente en función del IP resulta una importante necesidad para establecer las condiciones de un determinado suelo natural. Para estudiar la variabilidad del módulo resiliente en función del IP se realizará mezclas de arcilla-arena en diferentes proporciones, para evaluar el comportamiento mecánico y dinámico. 1 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 1.1. Planteamiento del Problema Las metodologías de diseño mecánico empírico de pavimentos demandan una gran cantidad de datos de entrada en comparación con las metodologías antiguas. El módulo resiliente es un parámetro de diseño que más atención ha recibido en los último años. La determinación de esta propiedad requiere equipos costosos y sofisticados, por lo tanto se calculan en base a correlaciones a partir del CBR o en función de otras propiedades, las cuales no se saben si se asemejan al comportamiento real del suelo. 1.2. Justificación de la Investigación Las propiedades de los materiales desempeñan un papel fundamental para determinar el rendimiento estructural y funcional de las capas de pavimento durante su vida útil. Los efectos de la carga de tráfico, condiciones ambientales y las fluctuaciones en el material causa la formación de surcos, comportamiento de fatiga y otras formas de deterioro, que tienden a degradar el rendimiento y la durabilidad de la estructura de capa de pavimento. Determinar de forma adecuada y certera el parámetro dinámico del módulo resiliente, para luego usarlo en el diseño es de vital importancia para la mejor durabilidad de nuestras carreteras. Por estas razones, desarrollar en este trabajo de forma experimental la evaluación de las propiedades mecánicas para suelos de subrasante similares a los materiales propios de Bolivia y permitir compararlo con los parámetros que usan los métodos de diseño empíricos y mecánicos típicos, contribuirá de cierta forma a reducir la incertidumbre y realizar diseños más cercanos a las condiciones reales de los materiales y las estructuras de pavimento. 2 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 1.3. Antecedentes En Bolivia poco o nada se ha investigado acerca del módulo resiliente hallado experimentalmente. Pero en el exterior si se realizaron varias investigaciones, que son de gran interés y aporte para el desarrollo de esta investigación. En Turquia, el año 2007 se realizó una investigación que demostró que el módulo resiliente de los suelos de grano fino es altamente dependiente del esfuerzo y presenta grandes variaciones en función de sus propiedades relacionadas con el índice de plasticidad del suelo. Dado que los suelos de grano fino tienen altos límites de líquidos e índices de plasticidad, el efecto de la variación del contenido de humedad en estas muestras es mayor. Por lo tanto, los resultados de las pruebas de CBR realizadas con muestras remojadas tienen altas correlaciones con los resultados de las pruebas de módulo resiliente.2 En el año 2001 el Instituto Mexicano de Transportes estudió el módulo de resilencia en suelos finos y materiales granulares, concluyó que ésta propiedad debiera ser determinado para las condiciones que corresponden a la condición final del suelo y de acuerdo con el nivel de esfuerzos aplicados por un vehículo. Idealmente, este sería el caso. Sin embargo, la determinación del módulo de resiliencia de la forma mencionada anteriormente, no es correcta cuando se utiliza el procedimiento para diseño de pavimentos AASHTO, actualmente el procedimiento de prueba recomienda utilizar una presión de confinamiento de 3 psi para un cierto rango de esfuerzos desviadores y siempre se deberá recurrir al estudio experimental del suelo en cuestión en cada problema particular. 3 3 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Rojas Quintero en el año 2014 evaluó el módulo resiliente y la deformación permanente en material arcilloso con presencia de material friccionante, concluyó que la granulometría es un factor que ejerce variación representativa en el comportamiento mecánico y dinámico , ya que al incrementar el material friccionante puede producir una disminución de la resistencia. 4 Desde el 22 de enero del presente año, Evo Morales Ayma aprobó un decreto que fija el uso del cemento boliviano para la construcción de carreteras departamentales, esto con el fin de frenar la importancia del asfalto y preservar las reservas internacionales. 1.4. Objetivos 1.4.1. Objetivo General Analizar el comportamiento del módulo resiliente, mejorando la plasticidad de un suelo arcilloso añadiendo arena, para su uso en una capa subrasante de pavimento rígido. 1.4.2. Objetivos Específicos • Caracterizar físicamente los suelos arcillosos del campus universitario Cota Cota. • Obtener el módulo resiliente de las muestras de suelos arcilloso en su estado natural. • Determinar la cantidad de arena a incorporar para reducir el índice de plasticidad de la muestra natural. • Realizar ensayos AASTHO T-180 y T-193 en las diferentes mezclas de suelos. • Determinar el módulo resiliente para los suelos modificados con el equipo triaxial dinámico. • Analizar la variabilidad del Módulo resiliente respecto a la variación de su IP, utilizando la densidad máxima y la humedad óptima. 4 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO • Determinar proporciones adecuadas de material friccionante y arena a ser mezclados, para obtener una subrasante mejorada, que cumpla las especificaciones técnicas en Bolivia. • Realizar el manual de uso del equipo triaxial dinámico. • Comparar los resultados experimentales obtenidos mediante el ensayo de módulo resiliente con la correlación de CBR-Módulo resiliente. • Realizar un ejemplo de aplicación diseñando un pavimento rígido para una vía urbana de bajo tráfico vehicular con los métodos PCA y MEPDG con datos reales de módulo resiliente. • Realizar el manual de cargado de datos en el programa para diseño de pavimentos por el método MEPDG (Mechanistic - Empirical Pavement Design Guide). 1.5. Alcances Para dar cumplimiento a los objetivos planteados en esta investigación, en el desarrollo y ejecución se utilizará las instalaciones del laboratorio central de la Administradora Boliviana de Carreteras (ABC), ubicado en la ciudad de La Paz donde se proporcionará el equipo necesario para realizar los ensayos. La presente investigación se limita al trabajo con suelos arcillosos obtenidos del campus universitario Cota Cota, quedando abierta la posibilidad de que sean empleados en otro tipo de suelos. Para el alcance del proyecto, el suelo en estado natural tiene un IP= 11.5% los valores de IP establecidas de suelo arcilloso añadiendo arena (Banco Achocalla) serán con IP= 10%, 9%, 8% y 6%. 5 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Con dichos ensayos se analizará el comportamiento del módulo resiliente modificando la plasticidad de un suelo arcilloso, posteriormente como ejemplo de aplicación se realizará el diseño de pavimento con metodologías MEPDG y PCA para la calle de Cota Cota con datos reales de módulo resiliente. 6 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO CAPÍTULO 2. 2.1. MARCO TEÓRICO Pavimento Una estructura de pavimento es un sistema compuesto por capas de materiales cuyas propiedades mecánicas y espesores han sido especificados y dimensionados de manera que las cargas aplicadas por el tráfico sean reducidas y transmitidas a la subrasante. Adicionalmente la estructura debe ser capaz de soportar las condiciones ambientales circundantes. Estructuralmente hablando existe dos tipos de pavimentos los flexibles y los rígidos; estos se diferencian por la manera en que transmiten las cargas hacia la subrasante. (Morales, Chavez, & López, 2009a)5 2.1.1. Pavimento Rígido Los pavimentos rígidos se caracterizan por poseer un alto módulo de elasticidad, que permita que los esfuerzos transmitidos se reduzcan y se distribuyan en un área extensa (Figura 2.1), provocando deflexiones pequeñas. Son aquellos cuya capa de rodadura consiste en una losa de concreto simple o armado, apoyado sobre una capa de base o subase. (Morales, Chavez, & López, 2009b)5 Figura Nº2.1 Esquema del comportamiento de pavimentos. Fuente: Efectos de la alta compactación de la capa de base en pavimentos flexibles. 7 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Si bien la mayoría de las metodologías empíricas requieren como dato fundamental para diseño de pavimentos rígidos el coeficiente de balasto. El módulo resiliente es una entrada requerida para los modelos de cálculo de respuesta estructural. Tiene un efecto significativo en las respuestas de pavimento calculadas y el módulo dinámico de reacción de subrasante, valor k, calculado internamente por el software Design Guide. El módulo resiliente se puede medir directamente desde el laboratorio u obtenerse mediante el uso de correlaciones con otras propiedades de resistencia del material, como CBR. 20 2.2. Capa Subrasante Escuela de Ingeniería de Alta Montaña (1998) 6 afirma: “Los materiales para capas subrasantes son los suelos naturales, su función es servir como soporte del paquete estructural. El efecto del tipo de suelo influye en la definición del trazo y las dimensiones de la estructura de pavimento. Por tal motivo, se requiere conocer las propiedades de los suelos que servirán como suelo de fundación pudiendo ser naturales o transportados como es el caso de los rellenos” Los materiales que constituyen el terraplen y capa subrasante de un camino o aeropista juegan un papel fundamental en el comportamiento y espesor requerido de un pavimento flexible e influyen poco en el espesor de la losa, pero bastante en su comportamiento de un pavimento rígido. Por ello la determinación de las características del suelo que formará la capa subrasante, en su caso, es vital. (Juárez, 2002, p 533)7 2.2.1. Características de la subrasante Tras la revisión documental de las especificaciones técnicas de ABC (2011), Perú (2012), México (2002) y Chile (2013) establecen los siguientes parámetros de control: 8 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Tabla 2.1 Especificaciones técnicas para subrasante. CARACTERÍSTICAS MÍNIMAS REQUERIDAS ABC MEXICO PERU Tipo de suelo - - A-1-a, A-1-b, A-2-4, A-2-6 y A-3 Tamaño Máximo (cm) Índice de Plasticidad CBR. De laboratorio ≤ 10 ≥ 8% 7.6 ≤ 12 ≥ 20 % 7.5 ≤ 10 ≥6 % Fuente: Elaboración Propia La presente investigación se basará en las normas impuestas por la ABC. Cuando la subrasante no cumple las especificaciones técnicas establecidas en obra, generalmente se mejora los suelos mediante la adición de arena, cal u otros aditivos. 2.2.2. Mezclas Arcilla - Arena El suelo CL (Arcilla fino arenosa), en estado natural, resulta altamente deformable al ser sometido a las condiciones de solicitación que debe resistir durante la vida útil de la carretera. En consecuencia, no es recomendable su utilización como material de subrasante, a pesar de eso es posible mejorar sus propiedades adicionando en proporciones adecuadas otros materiales. Este mejoramiento resulta en una disminución de los espesores del paquete estructural y en beneficios económicos. Para mezclas entre suelo arcilla arenosa y arenas se propone realizar ensayos de relación de soporte de California (CBR) y módulo resiliente. Desde el punto de vista físico mecánico, la mezcla arcilla arena tiende a mejorar sus propiedades ingenieriles, tales como IP, densidad, capacidad de soporte, Mr, etc. 9 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 2.3. Índice de Plasticidad Plasticidad es la propiedad que tienen algunos suelos de deformarse sin agrietarse, ni producir rebote elástico. Los suelos plásticos cambian su consistencia al variar su contenido de agua. De ahí que se puedan determinar sus estados de consistencia al variar si se conoce las fronteras entre ellas. Los estados de consistencia de una masa de suelo plástico en función del cambio de humedad son sólidos, semisólido, líquido y plástico. Estos cambios se dan cuando la humedad en las masas de suelo varía. Para definir las fronteras en esos estados se han realizado muchas investigaciones, siendo las más conocidas las de Terzaghi y Atterberg.(Cevallos Luna, 2012)8 Las partículas finas cumplen la función de tapar huecos y favorecer esa trabazón durante la compactación pero, dada su gran superficie específica, también absorben mucha más agua que el material granular, por eso se limita su plasticidad, para evitar absorciones y cambios de volumen que puedan dañar internamente la carretera. De ahí radica la importancia de determinar esta propiedad en los suelos. Según Cevallos Luna (2012)8, el contenido de agua con que se produce el cambio de estado varía de un suelo a otro y en mecánica de suelos interesa fundamentalmente conocer el rango de humedades, para el cual el suelo presenta un comportamiento plástico. 2.3.1. Límites de Atterberg Los límites de Atterberg o también llamados límites de consistencia se basan en el concepto de que los suelos finos, presentes en la naturaleza, pueden encontrarse en diferentes estados, dependiendo de su propia naturaleza y la cantidad de agua que contengan. Así, un suelo se puede encontrar en un estado sólido, semisólido, plástico y líquido o viscoso (ver Fig.2.2). 10 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO La arcilla, por ejemplo, si está seca se encuentra muy suelta o en terrones, añadiendo agua adquiere una consistencia similar a una pasta, y añadiendo más agua adquiere una consistencia fluida. (Puy Santín, 2005a)9 Figura Nº2.2 Límites de Atterberg. Fuente: Resilient Modulus: What, Why and How? El método usado para medir estos límites de humedad fue ideado por el científico sueco Albert Atterberg en el año 1911. Los límites de Atterberg son valores de humedad de los suelos que se utilizan en la identificación y clasificación de un suelo. Los límites de Atterberg pertenecen, junto al análisis granulométrico, al tipo de ensayos de identificación. El análisis granulométrico nos permite conocer la magnitud cuantitativa de la fracción fina, los límites de Atterberg nos indican su calidad, completando así el conocimiento del suelo. Frecuentemente se utilizan los límites directamente en las especificaciones para controlar los suelos a utilizar en terraplenes. (Puy Santín, 2005b)9 El índice de plasticidad, que indica la magnitud del intervalo de humedades en el cual el suelo posee consistencia plástica, se determina con la siguiente ecuación: Índice de plasticidad: Donde: 𝐼𝑃 = 𝜔𝑙 − 𝜔𝑝 Ecuación [1] ωp = Límite plástico ; ωL = Límite líquido ; ωn = Humedad natural 11 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 2.4. Módulo Resiliente Los materiales que se utilizan para carreteras, representados por el propio terreno de cimentación de éstas, e inclusive el cuerpo del pavimento se somete a cargas de tipo dinámico de diversas magnitudes. Por lo que para tomar en cuenta la naturaleza cíclica de las cargas que actúan en los materiales de la estructura del pavimento y de la misma forma del comportamiento no lineal y “resiliente” de los materiales, se han llevado a cabo investigaciones experimentales con el fin de rescatar información valiosa sobre el comportamiento esfuerzo- deformación de los materiales. Estas deformaciones resilientes o elásticas son de recuperación instantánea. Denominándose deformaciones plásticas las que permanecen en el pavimento una vez que ha cesado la acción de las cargas; no obstante, al tenerse cargas móviles las deformaciones permanentes se van acumulando, no antes sin denotar que en ciclos intermedios la deformación permanente para cada ciclo disminuye, hasta que prácticamente desaparece en los ciclos finales. La muestra llega así a un estado tal en que toda la deformación es recuperable; es en ese momento en el que se tiene un comportamiento resiliente. De aquí se desprende el concepto de módulo resiliente, el cual está definido como el esfuerzo desviador repetido aplicado en compresión triaxial entre la deformación axial recuperable. Así pues, el concepto de módulo resiliente está ligado invariablemente a un proceso de carga repetida. (Sesma Martínez et al., 2002b)1 Se representa con la siguiente ecuación: (σ −σ3 ) MR = 𝜖1 𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 σ =𝜖 d 𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 Ecuación [2] 12 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº2.3 Estado de esfuerzos del módulo resiliente. Fuente: Resilient Modulus: What, Why and How? Donde: MR = Módulo Resiliente σ1= Esfuerzo principal mayor; σ3= Esfuerzo principal menor; σd= Esfuerzo desviador ɛaxial = Deformación axial La metodología actual para diseño de pavimentos utilizada por el método AASHTO considera que la propiedad fundamental para caracterizar los materiales constitutivos de la sección de una carretera es el parámetro denominado módulo resiliente. (Shane Buchanan, 2007)10 La Figura 2.4 ilustra la respuesta de un espécimen típico sometido a un ciclo de carga y descarga. 13 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº2.4 Respuesta a un ciclo de carga y descarga. Fuente: Resilient Modulus: What, Why and How? 2.4.1. Determinación del Módulo Resiliente en Laboratorio La determinación del módulo resiliente se puede lograr a través de pruebas de laboratorio. Este procedimiento comúnmente usado para los ensayos de laboratorio de suelo y materiales agregados es normalizado por la AASHTO, bajo la designación AASHTO T307, Standard Method of Test for Determining the Resilient Modulus of Soils and Aggregate Materials. En este ensayo, la probeta se somete a una serie de cargas y descargas axiales por un periodo muy corto de tiempo y entre cargas se da un periodo de reposo, esto con el fin de simular el paso del tránsito por el pavimento. Al mismo tiempo se aplica una presión de confinamiento constante, que simula los esfuerzos laterales causados por el peso del material que está por encima más las cargas de tránsito. En laboratorio esta presión de confinamiento se simula a través de aire comprimido dentro de la cámara triaxial. 14 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Durante la prueba, se aplica una tensión axial durante 0,1 segundos, seguido de un período de descanso 0.9 segundos. El periodo de carga y período de descanso juntos constituyen 1 ciclo de carga. La carga axial es del tipo haversiana. En la Figura 2.5 se muestra cómo se definen los esfuerzos máximo, cíclico y de contacto para el ensayo. Los esfuerzos se calculan con el área transversal del espécimen. Nota: El procedimiento T307 [19] requiere partículas de agregado del tamaño de más del 25 por ciento del diámetro del molde (generalmente 6 pulgadas). Sobrepasar ese tamaño de agregado puede influir en los resultados de las pruebas obtenidas. Figura Nº2.5 Definición de los esfuerzos aplicados por el método de ensayo. Fuente: Implementación del ensayo de módulo resiliente en bases granulares para pavimento. 15 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Un importante aspecto que se denota en el procedimiento de ensayo son las diferentes secuencias de prueba especificados para materiales de base/sub-base y subrasante. En consecuencia los especímenes son ensayados a diferentes presiones de confinamiento y cargas axiales aplicadas. Debido a los distintos estados de esfuerzo que experimentan en campo con la carga de las ruedas. Una ilustración del estado de esfuerzos del módulo resiliente se puede observar en la Figura 2.3. Los materiales de grano grueso bajo mayor esfuerzo aplicado, tienen menor deformación y por lo tanto una mayor rigidez y el módulo resiliente. Mientras que los suelos de grano fino o de subrasante se conocen como “blandos”, lo que significa que con el aumento de esfuerzo, aumenta la deformación y la rigidez o módulo disminuye. (Shane Buchanan, 2007 b)10 Antes de las secuencias reales de prueba del módulo resiliente, las muestras preparadas se ensayan como se muestra para la secuencia “0” en la Tabla 2.2. La AASHTO T-307 denomina esta fase como etapa de acondicionamiento que es para la “Eliminación de los efectos del intervalo entre la compactación y la carga y la eliminación de la carga inicial frente a la recarga”. Además, esta carga sirve para minimizar el impacto de un contacto inapropiado entre los extremos de muestra con la tapa de la muestra y el plato de la base. Después del acondicionamiento, en la norma se especifica 15 secuencias de prueba para materiales de sub-rasante y subbase / base que se muestran en la Tabla 2.2 y 2.3. En cada secuencia existen 100 ciclos de carga/descarga. Los suelos de la subrasante se ensayan a tres niveles decrecientes de presiones de confinamiento (6, 4 y 2 psi) en 5 niveles crecientes de tensión axial (2, 4, 6, 8, y 10 psi) dentro de cada nivel de presión de confinamiento. Los materiales granulares se ensayan a cinco niveles de confinamiento (3, 5, 10, 15, y 20 psi) con diferentes niveles de tensión axial para cada nivel de confinamiento tal como se muestra en la Tabla 2.2. (Shane Buchanan, 2007 c)10 16 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO El Estado de tensiones (Bulk stress θ) se calcula para cada secuencia de prueba y representa el estado de esfuerzos totales. El módulo resiliente se calcula entonces en cada una de las secuencias de prueba, la AASHTO recomienda promediar los últimos 5 ciclos de cada secuencia, dando un total de 15 resultados. Una vez procesados los datos se obtiene una nube de puntos que representan la relación de Mr. vs Estado de tensiones (θ), del cual se deberá ajustar a un modelo de predicción capaz de representar los valores obtenidos en laboratorio. El especialista en obra deberá decidir qué modelo matemático deberá usar para ajustar la nube de puntos. De igual manera deberá hacer uso de programas en base a elementos finitos o multicapa para determinar el estado de esfuerzos en un determinado punto y así realizar una mejor simulación del comportamiento no lineal de los materiales granulares y permitir una predicción más realista del comportamiento esfuerzodeformación de estos materiales dentro del paquete. Tabla 2.2 Secuencias de prueba para suelos de Subrasante. 17 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Tabla 2.3 Secuencias de prueba para suelos de Subbase/base. Fuente: AASHTO T-307 Standard Method of Test for Determining the Resilient Modulus of Soils and Aggregate Materials.19 2.4.1.1. Equipo triaxial dinámico El equipo básicamente se compone de 3 unidades: a) Unidad de registro de información. Su función es la recopilación de información de presión, carga y deformaciones a través de LVDTs (Linear Variable Differential Transformers) y sensores en el equipo. Desde el software se tiene el control total de la compresión triaxial, el sistema de presión y el actuador, lo que permite realizar la prueba con mínima intervención del operador. Siguiendo los protocolos de la norma AASHTO T307. 18 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO b) Unidad de regulación de presión. Está compuesta por una válvula que permite el ingreso del aire proveniente de la compresora, un manómetro con un regulador de presiones y otra válvula que permite y controla la presión de aire que ingresa a la cámara triaxial. Figura Nº2.6 Unidad de regulación de presión. Fuente: Elaboración Propia. c) Unidad de aplicación de carga. Las deformaciones verticales son medidas por 3 LVDT´s (Linear Variable Differential Transformers), elementos que se encargan de transmitir la magnitud de dichas deformaciones a la unidad de registro y control. Los diferentes intervalos en los que se mide la deformación simulan la velocidad de circulación de un vehículo sobre la estructura de un pavimento. La carga que se aplica a la muestra de suelo compactado es medida por una celda de carga. La frecuencia de la carga es gobernada por un controlador de tiempo. 19 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº2.7 Equipo triaxial dinámico. Fuente: Elaboración Propia. Todo el procedimiento está automatizado, registrando datos en la computadora cada 0.1 segundos, de todas maneras, necesita supervisión de una persona en el momento de ejecutar el ensayo con el fin de disminuir la dispersión de los resultados. Se debe controlar el error de amplitud del pulso de carga, para dicho efecto revisar el manual. (Ver Anexo). 2.4.2. Modelos matemáticos para la determinación del Mr 2.4.2.1. Modelo K-θ Shane Buchaman (2007)10 afirma: “Para determinar el módulo resiliente en un estado de esfuerzos dado o bulk stress, es crítico determinar la relación entre el módulo resiliente y el estado de esfuerzos. El modelo “K-θ”se utiliza ampliamente para materiales granulares para calcular el módulo resiliente”, se utiliza la siguiente ecuación: MR = K1 ∗ ∅K2 Ecuación [3] 20 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Donde: MR = Módulo Resiliente K1, K2 = Constantes de regresión lineal θ = Suma de esfuerzos principales =σ1+σ2+σ3 Ecuación [4] Figura Nº2.8 Módulo resiliente Vs Bulk Stress. Fuente: Resilient Modulus: What, Why and How? 2.4.2.2. Modelo de la guía de diseño 2002 Uzan en 1992 introdujo el modelo de corte octaédrico. La guía de diseño mecánicoempírico (MEPDG) utiliza la ecuación constitutiva del módulo elástico proporcionada en la Ecuación 3. Este modelo se conoce comúnmente como el "k1-k3 o modelo universal", y su principal ventaja es la consideración del estado de tensión (es decir, el cambio de la tensión normal y cortante) del material durante la prueba. (Shane Buchanan, 2007 c)10 21 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 𝜃 𝜏 MR = K1 ∗ 𝑃𝑎 ∗ (𝑃 )K2 ∗ ( 𝑃𝑜𝑐𝑡 + 1)𝐾3 𝑎 Ecuación [5] 𝑎 Donde: Pa = Presión Atmosférica; θ = Suma de esfuerzos principales =σ1+σ2+σ3 = σd + 2σ3 Las fórmulas halladas por el programa de estudio LTPP- FHWA11 solo son para suelos arcillosos: k1, k2 y k3; coeficientes del material que dependen de la granulometría, humedad, densidad, etc. 𝑘1 = 1.3577 + 0.0106(%𝐶𝑙𝑎𝑦) − 0.0437 𝑤𝑐 Ecuación [6] 𝑘2 = 0.5193 − 0.0073𝑃4 + 0.0095𝑃40 − 0.027𝑃200 − 0.003𝐿𝐿 − 0.0049𝑤𝑜𝑝𝑡 Ecuación [7] 𝑘3 = 1.4258 − 0.0288𝑃4 + 0.0303𝑃40 − 0.0521𝑃200 + 0.0251(%𝑆𝑖𝑙𝑡) + 0.0535𝑙𝑙 − 0.0672𝑤𝑜𝑝𝑡 − 0.0026𝛾𝑜𝑝𝑡 + 0.0025𝛾𝑠 − 0.6055 ( 𝑤𝑐 𝑤𝑜𝑝𝑡 ) Ecuación [8] τoct = Esfuerzo de corte octaédrico; 𝜏𝑜𝑐𝑡 = 13 ∗ √(𝜎1 − 𝜎2 )2 + (𝜎2 − 𝜎3 )2 + (𝜎3 − 𝜎1)2 Ecuación [9] Cabe señalar que el esfuerzo cortante octaédrico se convierte en (σ1 - σ3) para condiciones de esfuerzo de eje asimétrico. 2.4.2.3. Modelo del Programa de Desempeño a largo plazo de pavimentos (LTPP) Del año 2002, es una versión modificada del modelo universal constitutivo. M θ 𝜏 𝜏 𝐿𝑜𝑔 ( 𝑃 R ) = K1 + K 2 𝐿𝑜𝑔 (𝑃 ) + K 3 𝐿𝑜𝑔 ( 𝑃𝑜𝑐𝑡 ) + K 4 (𝐿𝑜𝑔 ( 𝑃𝑜𝑐𝑡 ))2 𝑎 2.4.2.4. 𝑎 𝑎 𝑎 Ecuación [10] Modelo k-σd Este modelo fue desarrollado por Moossazadeh y Witczak12 en 1981. Es un modelo para los suelos cohesivos. Se introduce el esfuerzo desviador σd = σ1 - σ3. 22 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 𝜎 MR = K1 ∗ (𝑃𝑑)𝐾2 𝑎 Ecuación [11] 2.4.3. Factores que afectan el módulo resiliente Para determinar el efecto que tienen algunos factores en el módulo de resiliencia se han llevado a cabo varios estudios. A continuación se resumen algunos de los factores reportados en la literatura. 2.4.3.1. Condiciones físicas del suelo El módulo de resiliencia de los suelos de subrasante se reduce con el incremento en contenido de agua o grado de saturación (Barksdale 1972; Fredlund 1977; Drumm et al. 1997; Huang, 2001; Butalia 2003, y Heydenger 2003, citados por Garnica et al. 2016a)13. Por otro lado, el peso volumétrico también es una de las variables que afecta el Mr y ha sido estudiado por diferentes investigadores (Smith y Nair 1973, Chou 1976, Allen 1996, Drumm 1997 citados por Titi et al. 2006). Los resultados indican que un incremento en densidad incrementa el módulo de resiliencia, sin embargo, el efecto es menor que el del contenido de agua (Rada y Witczak 1981 citado por Garnica et al. 2016 b).13 2.4.3.2. Condiciones de esfuerzo El Mr es una propiedad que depende del estado de esfuerzos. Un incremento en el esfuerzo desviador resulta en un decremento en módulo de resiliencia de suelos cohesivos y un incremento en el confinamiento lo aumenta. Rada y Witczak (1981) encontraron que la duración del esfuerzo, la frecuencia, y el número de repeticiones para alcanzar la deformación resiliente de equilibrio tienen muy poco efecto en el módulo de resiliencia. Con respecto al último factor, Pezo et al (1992) y Nazarian y Filiberti (1993) 23 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO reportaron que el condicionamiento del espécimen afecta el módulo de resiliencia e indican que la historia de esfuerzos juega un papel clave en la evaluación del módulo (Garnica et al. 2016)13. 2.4.3.3. Otros factores Otros factores que tienen influencia en el módulo son: Tipo de suelo, cantidad de material fino y límites de consistencia, método de preparación de la muestra, tamaño de la muestra, granulometría, ciclos de congelamiento y deshielo, etc. Por ejemplo, Thompson y Robnett (1979) indicaron que suelos con un índice plástico bajo, bajo límite líquido, bajo valor de peso específico relativo de sólidos y alto contenido de materia orgánica, proporcionan como resultado módulos de resiliencia bajos. Seed et al. (1962) reportó que la compactación estática da como resultado módulos de resiliencia mayores a los obtenidos cuando se compacta por medio de amasado. (citado por Garnica et al. 2016 c)13 2.4.4. Estimación del módulo resiliente Considerando que en la mayoría de las agencias, instituciones y empresas dedicadas al diseño de pavimentos no cuentan con el equipo para realizar la prueba de módulo resiliente, se han desarrollado investigaciones tendientes a establecer correlaciones entre éste y otras características como el valor relativo de soporte a través de valores típicos dependiendo de la clasificación del material. 2.4.4.1. Ecuaciones de correlaciones con el C.B.R. y Mr El ensayo CBR (California Bearing Ratio) se emplea para evaluar la capacidad portante de los suelos, comparándolo con un suelo o material ideal del cual se desconocen sus características mecánicas, utiliza modelos empíricos que no incluyen la dependencia en el estado de esfuerzos. 24 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Deducir el módulo resiliente a partir del CBR puede provocar errores de estimación y por ende equivocaciones en el diseño. Estos modelos simplistas se han utilizado a lo largo del tiempo hasta que se lograron desarrollar equipos de laboratorio que pueden simular los estados de esfuerzos que se pueden presentar en las capas del pavimento. En la Tabla 2.4 se presenta un resumen de algunos modelos empíricos.(Acuña, 2009)14 Tabla 2.4 Modelos para encontrar el Mr a partir del C.B.R. EXPRESIÓN MATEMÁTICA DEL MODELO Mr (Mpa) Mr = 10 x C.B.R.[12] Mr = 38 x C.B.R.0.711[13] Referencia Método de diseño Shell Heukelom y Foster (1960) Cuerpo de Ingenieros de Los Estados Unidos Green y Hall (1975) Mr = 18 x C.B.R.0.64[14] TRRL LISTER (1987) Mr = 21 x C.B.R.0.65[15] Consejo de Suráfrica Ayres (1997) Mr = B x C.B.R.[16] Guía de Diseño AASHTO 93 B = 10,5 para CBR<10 Mr = 6.5 x C.B.R.0.625[17] Colombia Suelos de Bogotá Fuente: Elaboración propia. Nota.- Los números entre paréntesis son designaciones de cada ecuación, para facilitar su manejo en el presente trabajo. El Departamento de Transporte de Ohio utiliza otra correlación para obtener el módulo de resiliencia en función del CBR, sin embargo, el valor de CBR lo obtienen mediante un nomograma que relaciona este parámetro con el índice de grupo (Figura 2.9). 25 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº2.9 Relación entre el CBR, Índice de grupo y clasificación AASHTO (adaptada de ODOT 2008). Fuente: Modelo para estimar el módulo de resiliencia de suelos finos compactados en la condición óptima de compactación. Una vez que se tiene el CBR, entonces el Mr se obtiene con la siguiente expresión: 2.4.4.2. Valores típicos MR (Ksi) = 1.2 x C. B. R. Ecuación [18] En los Estados Unidos se han recopilado en una base de datos valores típicos de los materiales según su clasificación AASHTO o SUCS los cuales se resumen en la Tabla 2.5 obtenida de la Guía Empírico-Mecanística para el Diseño de Pavimentos del año 2002. Tabla 2.5 Valores típicos para materiales granulares y suelos sin estabilizar 26 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Fuente: Modelo para estimar el módulo de resiliencia de suelos finos compactados en la condición óptima de compactación. Estos datos recomendados fueron obtenidos para las condiciones óptimas de humedad y densidad, por lo que es importante ser cautelosos a la hora de utilizarlos, pues es recomendable utilizar el módulo resiliente para las condiciones reales del terreno. 27 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 2.5. Diseño Actual de Pavimentos El avance de la tecnología y de los conocimientos respecto al diseño de pavimentos ha permitido mejorar y acercarse a la realidad del comportamiento estructural. Es así que en las últimas décadas se desarrollaron nuevas metodologías de diseño. En el caso de los pavimentos rígidos, el método AASHTO desarrolló además un procedimiento específico sobre fines de la década de los ´90, denominado “Suplemento AASHTO 1998”, que incorpora diversas consideraciones de diseño de tipo mecanicista dentro del método tradicional e incluye la verificación de aspectos tales como análisis diferenciado del efecto de la base y de la subrasante, evaluación del escalonamiento máximo aceptable y de las tensiones admisibles por carga en zona de juntas. Si bien no se trata de un método de diseño propiamente dicho, el modelo HDM-4 (Highway Development and Management) también propuso un conjunto de ecuaciones para evaluar el comportamiento de pavimentos de hormigón, en el marco del análisis técnico y económico de alternativas que puede efectuarse con dicha metodología. Puede decirse con certeza que dichas ecuaciones constituyeron un paso de gran importancia en la historia de la evolución reciente de los métodos de diseño de pavimentos de hormigón, permitiendo además contar con una herramienta computacional que posibilitaba la comparación directa del comportamiento esperable entre pavimentos rígidos y flexibles no sólo considerando costos constructivos sino costos totales del transporte a lo largo de su vida útil. La American Concrete Pavement Association (ACPA) ha elaborado recientemente una versión actualizada, y notablemente mejorada desde el punto de vista computacional, del método tradicional de diseño de la PCA, a través de su software StreetPave, que además también incorpora mecanismos de comparación directa con diseños alternativos de pavimentos flexibles. 28 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Desde el año 2003, asimismo, se encuentra disponible un nuevo procedimiento alternativo para diseñar pavimentos tanto rígidos como flexibles. Dicha metodología ha sido desarrollada en el proyecto de investigación NCHRP 1-37A, con el propósito final de ser el nuevo método oficial de diseño de la AASHTO, en los primeros años fue denominado vulgarmente “AASHTO 2002” ya que este era el año inicialmente previsto para su lanzamiento al mercado. A principios del año 2009, se proyectó una guía que constituye un procedimiento sumamente diferente en lo conceptual respecto al tradicional procedimiento AASHTO de diseño estructural de pavimentos y se ha impuesto para el mismo la denominación “Guía Empírico – Mecanicista de Diseño de Pavimentos” (Mechanistic – Empirical Pavement Design Guide, MEPDG). (Diseño de, 2015)15 Éste investigación solo se enfocará en dos metodologías: PCA y MEPDG. 2.5.1. Metodología de Diseño Empírico Mecanicista (MEPDG) Este procedimiento de diseño estructural de capas de pavimento se basa en el análisis mecanístico para escoger una combinación de espesores y materiales con el fin de suministrar el nivel de servicio deseado de acuerdo con el tránsito esperado. Los elementos del procedimiento de diseño mecanicista abarcan además los efectos climáticos, el modelo estructural y la respuesta del pavimento, la caracterización de los materiales, las funciones de transferencia y el análisis del comportamiento para concluir con el proceso de selección del sistema de pavimento a construir. La Figura 2.10 muestra el procedimiento de este método diseño estructural. El modelo mecánico se basa en la teoría de multicapa elástica o elemento finito y determina las reacciones del pavimento a la carga de las ruedas en términos de esfuerzos, deformaciones unitarias y deflexiones (σ, ε, ∆). La parte empírica del diseño utiliza las reacciones del pavimento para predecir la vida del mismo basada en observaciones hechas en 29 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO campo. Así, el término “empírico” se debe a la definición de las funciones de transferencia a partir de datos reales. Figura Nº2.10 Procedimiento de diseño MEPDG. Fuente: Aplicación de la Guía Empírico -Mecanicista MEPDG para el Diseño de Pavimentos Rígidos 2.5.1.1. Beneficios de un Procedimiento Empírico Mecanicista El procedimiento de diseño basado en principios empírico-mecanicistas, incluido en la guía 2002, permite evaluar los efectos de la variación de los materiales en el desempeño de los pavimentos, entregando una relación racional entre las especificaciones de materiales y los procesos constructivos, y el diseño estructural del pavimento. Esta nueva guía incluye, además, métodos que consideran directamente el envejecimiento de los materiales, mes a mes, a lo largo del período de diseño. En la figura 2.11, se observa que la línea continua representa el desempeño observado en los pavimentos actuales. Una de las principales razones para las fallas prematuras en los pavimentos es la imposibilidad de incorporar adecuadamente en los procedimientos de diseño las variaciones en la calidad de los materiales y en los procesos constructivos. Tales variaciones no fueron consideradas como variables experimentales primarias en la prueba de rodado AASHTO. 30 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº2.11 Desempeño de los diseños en los pavimentos existentes. Fuente: Nueva guía de diseño mecanística-empírica para estructuras de pavimento Además, un procedimiento basado en un enfoque empírico-mecanicista permite, a diferencia de los procedimientos empíricos, incluir futuros avances y conocimientos que puedan ser implementados y desarrollados. Otros beneficios que presentan los procedimientos de diseño empírico-mecanicistas son: • Permite una adecuada evaluación de las consecuencias en el desempeño del pavimento, producto de nuevas condiciones de carga (por ejemplo, modelación del daño por aplicación de cargas crecientes, por elevadas presiones de inflado en los neumáticos, por múltiples ejes y por otros factores que pueden ser modelados utilizando un procedimiento mecanicista). • Se puede hacer un mejor uso de los materiales disponibles (por ejemplo, se puede simular el comportamiento de materiales estabilizados, tanto en pavimentos rígidos como en flexibles, a fin de predecir el desempeño a futuro). • Facilita el desarrollo de procedimientos mejorados para evaluar los deterioros prematuros, a fin de analizar por qué algunos pavimentos exceden sus expectativas de diseño. 31 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO • Los efectos por envejecimiento pueden incluirse en las estimaciones del desempeño (por ejemplo, el endurecimiento del asfalto debido al paso del tiempo, el cual puede influir en el ahuellamiento y en la generación de grietas por fatiga). • Los efectos estacionales, tales como el debilitamiento del pavimento producido por los deshielos, pueden ser incluidos en la estimación del desempeño. • Las consecuencias de la erosión de la subbase bajo pavimento rígido pueden ser evaluadas. • Permite el desarrollo de mejores metodologías para la evaluación de los beneficios a largo plazo que conlleva la dotación de drenajes mejorados a la vía. • Desde el punto de vista del diseño, aumenta la confiabilidad, permite predecir modos de falla específicos (los cuales pueden ser minimizados), evaluar de mejor manera el impacto de nuevos niveles y condiciones de carga, minimizar fallas prematuras, mejorar los diseños para rehabilitación de pavimentos e introducir adecuadamente variaciones diarias, estacionales y anuales en los materiales, el clima y el tránsito en el proceso de diseño. 2.5.1.2. Aspectos Generales del Software de la Guía El enfoque empírico-mecanicista de una guía de diseño implica la inclusión de una variedad de factores y criterios, siendo necesaria una compleja serie de cálculos e iteraciones para efectuar el análisis de las estructuras tentativas de pavimentos, de acuerdo con los niveles de desempeño y de deterioro requeridos para un diseño óptimo, y para un cierto nivel de confiabilidad. De esta forma, se hace imprescindible el uso de un software adecuado para efectuar dichos procesos. 2.5.1.2.1. Datos de entrada. Los datos de entrada se clasifican en tres grupos principales: 32 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Tránsito: se ingresan los factores de ajuste del volumen de tránsito (factor de distribución mensual –por tipo de vehículo- y horario, distribución por clase de vehículo y tendencia de proyección para el crecimiento del tránsito -por tipo de vehículo o para todos los tipos de vehículo); espectros normalizados de carga por eje (por tipo de eje y vehículo); datos generales de tránsito (número de ejes por vehículo, configuración de ejes, espaciamiento entre ejes). Además se ingresan, el Tránsito Medio Diario Anual de Camiones (TMDAC), factor direccional, velocidad de operación, entre otros. Clima: El Modelo Climático Integrado permite predecir y determinar: • Gradientes de temperatura en las losas de hormigón; • Apertura y cerrado de grietas; • Módulo dinámico (E*) base para mezclas asfálticas y módulo resiliente (MR) para subrasantes y bases no ligadas; • Conversión de perfiles no lineales de temperatura en diferencias de temperatura lineales; • Distribuciones de frecuencias de los gradientes térmicos para cada mes del año; • Distribuciones de probabilidad para gradientes térmicos durante el día (positivo) y la noche (negativo); • Otros parámetros (nivel de penetración de heladas, días húmedos, humedad relativa, etc.) Estructura: inicialmente, se ingresan los rasgos generales de la estructura del pavimento y las características del drenaje. Posteriormente se ingresan los aspectos principales de cada una de las capas constituyentes del pavimento (tipo de material y espesor). En seguida, se introducen las principales características de cada uno de los materiales que conforman las capas del pavimento: 33 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO para losas de concreto, se ingresan características de expansión térmica, mezcla y resistencia; para mezclas asfálticas, se ingresan características asociadas al ligante, a la mezcla, y a otras más generales asociadas con el agrietamiento térmico; para los materiales no ligados (base, subbase y subrasante), se ingresan datos asociados con la resistencia y otras características mecánicas que se utilizan en unión con el Modelo Climático Integrado Mejorado; y para las rocas, se ingresa el tipo de material rocoso que se encuentra en las capas subyacentes del pavimento (continua o fracturada) y otras características generales (razón de Poisson, Módulo Resiliente, peso unitario, entre otros). Figura Nº 2.12 Datos de entrada. Fuente: Aplicación de la Guía Empírico -Mecanicista MEPDG para el Diseño de Pavimentos Rígidos Información tomada de (Ing. Fabricio Leiva Villacorta, 2002)16 34 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 2.5.2. Diseño con el Método de la Portland Cement Association (PCA) Está basado esencialmente en conceptos de tipo mecanicista. El propósito del diseño es encontrar el espesor de pavimento que, para las solicitaciones previstas y el período de diseño analizado, resulte en el menor costo anual (construcción y mantenimiento). No solo deberán tenerse en cuenta los parámetros que intervienen en el diseño, sino además otros aspectos técnicos de igual importancia, que aseguren el buen desempeño y una vida útil acorde con el período proyectado. Estos incluyen: Soporte razonablemente uniforme Prevención del bombeo (subbases granulares o cementadas) en caso de condición de tránsito pesado Diseño, ejecución y mantenimiento adecuado de juntas Selección de componentes del hormigón y dosificación adecuada que asegure requisitos de resistencia y durabilidad durante la vida útil proyectada, bajo las condiciones de trabajo previstas Los procedimientos de diseño cubren las siguientes condiciones: 1. Grado de transferencia de carga en las juntas provistas por los diferentes tipos de pavimentos 2. El efecto beneficioso de la utilización de banquinas de hormigón adyacentes al pavimento, dado por las menores deflexiones y tensiones que originan las cargas de los vehículos 3. El efecto de la utilización de una subbase de hormigón pobre (concreto), la cual reduce deflexiones y tensiones, provee un soporte importante en las juntas al momento del paso de cargas pesadas y aporta una importante resistencia a la erosión dada por deflexiones repetidas de la losa. 35 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 4. Se aplican 2 criterios de diseño: a). Fatiga, manteniendo las tensiones del pavimento debido a la repetición de cargas dentro de límites aceptables, previniendo de esta manera la aparición de fisuras por fatiga del material b). Erosión, para limitar los efectos de las deflexiones del pavimento en los bordes de la losa, juntas y esquinas, controlando así la erosión de los materiales de fundación y banquina. Es necesario aplicar este criterio dado que algunas formas de daño de los pavimentos, tales como bombeo, desniveles entre losas y daños en banquina, no están relacionados con la fatiga. 5. Se consideran en el diseño los ejes triples (tridem). Su acción es más perjudicial según el diseño por erosión (deflexión) que por fatiga. La verificación a la falla por fatiga considera la capacidad de la estructura de soportar un número determinado de repeticiones de carga de magnitud conocida. Cada carga que pasa sobre la estructura consume una pequeña cantidad de la resistencia disponible a la fatiga, y el método permite determinar, a través de programas computacionales, qué porcentaje total de resistencia a la fatiga es consumido por todo el espectro de cargas a lo largo del período completo de diseño. La verificación a la falla por erosión está orientada a reducir los problemas generados por las continuas deflexiones de la losa en la zona de las juntas transversales, cada vez que pasa la carga bajo la junta. En función de una serie de parámetros de diseño tales como el espesor de la losa, el tipo de base, la existencia o no de pasadores en las juntas, las condiciones de vinculación lateral y el volumen y magnitud de las cargas aplicadas, se determina de manera conceptualmente análoga qué porcentaje de resistencia a la erosión es consumido por las cargas que pasan sobre la junta durante el período de diseño considerado. Si en ambos casos, para las condiciones establecidas en el diseño, los porcentajes de resistencia a la fatiga y a la erosión resultan inferiores al 100%, el 36 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO diseño verifica; no obstante, el objetivo es llegar a un diseño que se acerque lo más posible al límite del 100% en ambos criterios, sin sobrepasar dicho valor en ninguno de los dos casos. 2.5.2.1. Parámetros de Diseño Luego de la selección del tipo de pavimento, tipo de subbase (si es necesaria) y tipo de banquina (con o sin banquina de hormigón, con o sin cordón integral), en el diseño de espesores también intervienen otras variables. 2.5.2.1.1. Resistencia a la Flexión del hormigón “MR” Este factor es aplicable en el procedimiento de diseño por criterio de fatiga, el cual controla la fisuración del pavimento bajo cargas repetidas de camiones. Las cargas de ejes en los pavimentos de hormigón producen esfuerzos de compresión y flexión. La relación de esfuerzo de compresión/resistencia es muy baja y no afecta el diseño de espesor de la losa. Sin embargo, la relación de esfuerzo de flexión/resistencia es mucho más alta, y frecuentemente superan el valor de 0,5. Como consecuencia de esto, las tensiones de flexión y la resistencia a la flexión son usadas en el cálculo de espesores. La resistencia a la flexión MR se determina normalmente en vigas de Hormigón de 15x15x55 cm. Para cada proyecto, la mezcla de hormigón debe ser diseñada para cumplir con la durabilidad y resistencia flexional exigidas, al menor costo posible. 2.5.2.1.2. Capacidad portante de la subrasante “k” Este parámetro se obtiene del Ensayo del Placa de Carga. Dado que la ejecución de este ensayo es relativamente dificultosa, el valor de “k” es usualmente estimado por correlación con el Ensayo de Valor Soporte Relativo (CBR), de fácil ejecución. El procedimiento de estimación es válido y no se requiere una determinación exacta de “k”, ya que variaciones pequeñas del mismo no afectarán 37 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO significativamente el espesor del pavimento. La correlación entre “k” y “CBR” que se muestra en la Figura 2.13 es suficiente para los propósitos del diseño de espesores. También se puede utilizar el gráfico de correlación presentado en la parte inferior de la misma figura. Figura Nº2.13 Correlaciones aproximadas entre Valor Soporte (CBR) y Módulo de reacción “k”. Fuente: Diseño de pavimentos rígidos 38 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO El AASHO Road Test demostró que la disminución del soporte durante el período de deshielo tiene muy poca incidencia en el diseño de espesores de pavimentos. Esto se debe a que la disminución del módulo de reacción “k” de la subrasante durante el corto período de deshielo, se ve más que compensado por el largo período en que la misma permanece congelada, con un valor de “k” mucho más alto que el asumido en el diseño del espesor del pavimento. Para evitar el tedioso método de variación de módulo de reacción “k” según la temperatura y humedad de la subrasante durante las diferentes estaciones del año, se adoptan valores de medios del mismo. Cuando sea necesaria la utilización de subbases para la prevención del bombeo, existirá un incremento en el valor de “k”. Los valores corregidos del mismo pueden obtenerse de Tabla 2.6 y 2.7, para subbases no tratadas (granulares) y subbases tratadas con Cemento Portland, respectivamente. No resulta económico utilizar una subbase no tratada para incrementar el valor de “k”. Tabla 2.6. Módulo k para Bases granulares Tabla 2.7 Módulo k para bases cementadas Fuente: Elaboración propia. Los valores de Tabla 2.5 están basados en el análisis de un sistema de dos capas de Burmister y ensayos de plato de carga para la determinación de “k”, en subrasantes y subbases para ensayos de losas a escala real. Las subbases tratadas con cemento son ampliamente utilizadas en pavimentos con elevado tránsito pesado. Se recomienda para este tipo de subbases la utilización de materiales 39 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO A-1, A-2-4, A-2-5 y A-3 de la clasificación AASHTO. Los contenidos de cemento se determinarán en base al ensayo de durabilidad (Humedecimiento-Secado y Congelamiento-Deshielo). 2.4.2.1.3. Periodo de diseño Se prefiere la utilización del término “Período de Diseño” en lugar de “Vida útil”. Esto se debe a que la vida útil de la estructura dependerá de las condiciones reales de solicitación a la que esté sometida, tanto del tránsito, clima, como así también de la calidad constructiva final; así la vida útil podrá ser superior o inferior a la proyectada. El Período de Diseño es muchas veces considerado sinónimo del período de análisis del tránsito. Dado que el tránsito no puede ser estimado en forma precisa para períodos muy largos, el normalmente usado en el diseño de espesores de pavimentos es de 20 años. De todas maneras, existen otros casos en que la utilización de períodos más cortos o más largos puede justificarse económicamente; tal es así que muchos ingenieros consideran que 30 a 35 años debe ser el período a adoptar para el caso de rutas rurales y urbanas. El período de diseño afecta el espesor del pavimento ya que éste determina cuántos años y por lo tanto cuántos camiones deberá soportar la estructura durante la prestación de servicio. La selección del período de diseño para cada proyecto específico estará fundamentada por un criterio ingenieril y el análisis económico respectivo del costo del pavimento y el servicio requerido durante todo el período. 2.5.2.1.4. Tránsito La cantidad y carga de ejes pesados que actuarán durante el período de diseño, es uno de los factores más importantes en el procedimiento de cálculo del espesor del pavimento. Estos se estiman sobre la base del: 40 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO TMDA (Tránsito Medio Diario Anual) y % de camiones o TMDA de vehículos pesados Cargas de los ejes de los vehículos pesados El TMDA se obtiene en base a censos de tránsito y se considera el TMDA presente o actual. Proyección del tránsito El TMDA de diseño se estima con el TMDA presente y el Factor de Proyección, FP. Este último se calcula en función del período de diseño y de la tasa de crecimiento media esperada durante el mismo. El TMDA es multiplicado por el FP, obteniendo así el TMDA de diseño. Los factores que influyen en las tasas de crecimiento anual y proyección del tránsito son los siguientes: Crecimiento normal del tránsito: incremento debido a un mayor número y uso de los vehículos Tránsito atraído: incremento del tránsito debido a las mejoras del camino existente Tránsito generado: incremento debido al mayor número de viajes que no hubiesen sido efectuados si los nuevos medios no hubiesen sido construidos Tránsito desarrollado: incrementos debido a cambios en el uso de la tierra por la construcción de la nueva vía Los efectos combinados en los 4 factores antes mencionados darán como resultado tasas de crecimiento anual que oscilan entre el 2 y el 6 %. Ante situaciones no muy definidas de la tasa de crecimiento, es conveniente adoptar valores superiores a los esperados, para contar con mayor seguridad en los resultados. TMDA de vehículos pesados En el procedimiento de diseño PCA se utiliza la cantidad de vehículos pesados por día en ambas direcciones. Se incluye en esta categoría solamente a los camiones de seis ruedas o más y no incluye a ningún tipo de vehículo de cuatro ruedas (camionetas, 41 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO furgones, utilitarios, etc.). Para el caso de rutas o autopistas de tránsito intenso debe contarse con datos específicos de relevamiento de tránsito. Para el diseño, el número total de camiones es calculado como: VP = TMDA * % VP * 365 * PD Ecuación [19] Siendo VP: Cantidad total de vehículos pesados (camiones) para el diseño de espesores TMDA: Tránsito medio diario anual de diseño (TMDA presente por el factor de proyección) % VP: Porcentaje de vehículos pesados respecto del TMDA PD: Período de diseño, en años Proporción de Vehículos Pesados en el Carril derecho Para el caso de 4 carriles o más, se podrá estimar en base a la Figura 2.14 la proporción de camiones que circularán por la trocha derecha (trocha más cargada) respecto del que circulan en la misma dirección. Para ello, se deberá conocer el TMDA del sentido más cargado. Figura Nº2.14 Proporción de camiones sobre el carril externo. Fuente: Diseño de pavimentos rígidos 42 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Distribución de vehículos pesados por sentido de circulación En la mayoría de los diseños, se asume que los pesos y volúmenes de camiones que circulan en cada sentido son similares, donde cada sentido tomará aproximadamente la mitad del tránsito pesado (distribución 50-50). Esta suposición puede no cumplirse para algún proyecto específico, donde por ejemplo, gran parte de los camiones circulen en una dirección cargados, retornando vacíos en la dirección contraria. Ante estos casos se deberá conocer la real distribución y frecuencias de cargas por eje para el sentido más cargado, ya que de lo contrario al asumir 50 % de cargas para cada sentido, se estará sub-dimensionando el pavimento en la trocha más cargada. Distribución de cargas de ejes Los datos de distribución de cargas de ejes son necesarios para computar la cantidad de ejes simples, dobles (tándem) y triples (tridem). Factor de seguridad de cargas En el procedimiento de diseño, las cargas de ejes determinados en el paso anterior son multiplicadas por un factor de seguridad de cargas (FSC). Estos valores son los que a continuación se recomiendan: Autopistas y rutas de alto volumen de tránsito pesado, donde sea requerido un flujo ininterrumpido del tránsito, FSC = 1,2 Rutas y arterias importantes con moderado volumen de tránsito pesado, FSC = 1.1 Rutas y otras vías de bajo volumen de tránsito pesado y calles residenciales, FSC = 1.0 El FSC brinda además una seguridad adicional en el procedimiento de diseño, contemplando otros imponderables tales como sobrecargas impredecibles, variaciones normales de las propiedades de los materiales y pequeñas deficiencias en el espesor de proyecto. Información tomada de Diseño de pavimentos rígidos(2015).16 43 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO CAPÍTULO 3. METODOLOGÍA A continuación se presenta la metodología implementada para la consecución de los objetivos del proyecto: Figura Nº3.1 Metodología. ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Revisión Bibliográfica Muestreo de suelos SUELO NATURAL Ensayos de caracterización y Módulo Resiliente IP=11.5% Adicionando Arena IP=10% IP=9% IP=8% IP=6% CONCLUSIONES RECOMENDACIONES ENSAYOS Granulometría Límites de Atterberg Compactación C.B.R. MÓDULO RESILIENTE Metodología PCA DISEÑO PAVIMENTO RÍGIDO Manual de uso del equipo triaxial dinámico Metodología MEPDG Manual de cargado de datos en el programa MEPD Fuente: Elaboración Propia 44 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 3.1. Nivel de estudio Exploratorio. 3.2. Tipo de investigación Aplicada, experimental e investigación de laboratorio. 3.3. Procedimiento A partir de cierta cantidad de muestras ensayadas se analizará la incidencia que tiene el índice de plasticidad (IP) agregando arena, en el módulo resiliente (Mr), para aplicar en diseño MEPDG y PCA con datos reales de módulo resiliente. 3.4. Apoyo El trabajo se realizará mediante el CONVENIO ABC N°32/15 GNA-CIN-UMSA “Convenio de Cooperación Interinstitucional de Modalidad de Graduación y o Pasantía suscrita entre la Administradora Bolivia de Carreteras y la Universidad Mayor de San Andrés”, bajo la tutoría del responsable del Laboratorio Central de la ABC, profesional especializado en el área y de un docente titular de la Carrera de Ingeniería Civil – Facultad de Ingeniería - Universidad Mayor de San Andrés. 3.5. Lugar Los ensayos de laboratorio se realizarán en las instalaciones de la Administradora Bolivia de Carreteras en el Laboratorio Central de la ABC, ubicado en la Ciudad de La Paz. Se dispondrá el laboratorio en un tiempo mínimo de tres (3) meses según el convenio en el cual se realizarán los ensayos, para posteriormente realizar el procesamiento de los datos obtenidos. 45 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO CAPÍTULO 4. 4.1. DESARROLLO EXPERIMENTAL Suelo Natural y Arena Para el desarrollo del presente proyecto de investigación se realizaron ensayos de laboratorio con el material proveniente del campus universitario Cota Cota y arena procedente de Achocalla. Se escogieron estos materiales (arcilla), porque se sabe que son suelos de índice de plasticidad alto. Los ensayos de laboratorio se realizaron por cada variación de Índice de Plasticidad, añadiendo arena en diferentes cantidades, de acuerdo a lo establecido en las normas AASHTO y ASTM, correspondientes a cada ensayo. Estos trabajos de laboratorio permitieron determinar las propiedades de los suelos mediante ensayos físicos y mecánicos de la muestra natural y de las mezclas. En la tabla 4.1. “Ensayos de Mecánica de Suelos”, se presentan los diferentes ensayos a los que fueron sometidas las muestras obtenidas en los trabajos de campo y laboratorio en orden secuencial describiendo el nombre del ensayo, uso, norma y propósito del ensayo. 46 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Tabla 4.1. Ensayos de Mecánica de suelos Nombre del Ensayo Uso Norma Norma AASHTO ASTM Muestreo del Suelo Clasificación T-86 D420 Obtener la muestra necesaria para realizar los ensayos. Obtención en Laboratorio de Muestras Representativas Clasificación - C 70293 Obtener una muestra representativa. Contenido de Humedad Clasificación - D 2216 Determinar el contenido de humedad de una muestra de suelo. Análisis Granulométrico por Tamizado Clasificación T-88 D 422 Determinar la distribución del tamaño de partículas del suelo. Hidrometría Clasificación - D 422 Determinar la distribución del tamaño de partículas del suelo. Límite Líquido Clasificación T-89 D 4318 Hallar el contenido de agua entre los estados líquido y plástico. Propósito del ensayo Límite Plástico e Índice Clasificación de Plasticidad T-90 D 4318 Hallar el contenido de agua entre los estados plásticos y semisólido. Hallar el rango de contenido de agua por encima del cual, el suelo está en un estado plástico. Compactación Próctor Modificado Diseño de espesores T-180 D 1557 Determina la relación entre el contenido de agua y peso unitario de los suelos (Curva de compactación). Relación Soporte California "CBR" Diseño de espesores T-193 D 1883 Determinar la capacidad de carga. Módulo Resiliente Diseño de espesores T-307 - Determinar el módulo resiliente. Fuente: Elaboración propia. 47 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº4.1 Desarrollo experimental. 48 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Fuente: Elaboración Propia. 49 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO CAPÍTULO 5. 5.1. RESULTADOS Caracterización Suelo Natural 5.1.1. Granulometría por tamizado En la tabla 5.1, figura la distribución granulométrica del suelo en estudio, se realizó dos veces el ensayo para verificar la reproducibilidad de los resultados. (Ver anexos): Tabla 5.1. Distribución granulométrica por tamizado. SUELO NATURAL Tamiz 2 1/2" 2" 1 1/2" 1" 3/4" 3/8" No. 4 No.10 No. 20 No. 40 No. 60 No. 100 No. 200 Abertura (mm) 63.50 50.80 38.10 25.40 19.10 9.52 4.76 2.00 0.850 0.420 0.250 0.150 0.07 Muestra 1 Muestra 2 % Pasa % Pasa 100.00 100.00 100.00 98.35 98.26 96.01 92.85 87.99 85.49 83.08 81.13 77.41 81.21 100.00 100.00 100.00 100.00 99.52 97.28 94.04 90.48 87.90 85.68 83.74 80.29 74.57 Fuente: Elaboración propia. Gráfico Nº5.1 Distribución granulométrica por tamizado suelo natural muestra 1. Porcentaje que pasa [%] CURVA GRANULOMÉTRICA 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.01 0.10 1.00 10.00 Diámetro de las partículas [mm] 100.00 Fuente: Elaboración Propia. 50 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Gráfico N° 5.2 Distribución granulométrica por tamizado suelo natural muestra 2 CURVA GRANULOMÉTRICA 100 Porcentaje que pasa [%] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.01 0.10 1.00 10.00 100.00 Diámetro de las partículas [mm] Fuente: Elaboración Propia. Tabla 5.2. Composición porcentual de las muestras SUELO NATURAL GRAVA ARENA FINO TOTAL (%) (%) (%) (%) Muestra 1 Muestra 2 7.15 21.39 71.46 100.00 5.96 19.47 74.57 100.00 Fuente: Elaboración propia. 5.1.2. Límites de Consistencia Para completar la clasificación se procedió a realizar el ensayo de límites de consistencia. Gráfico Nº 5.3 Límite líquido suelo natural muestra 1 CURVA DE ESCURRIMIENTO PORCENTAJE DE HUMEDAD (%) 27.00 26.00 y = -2.916ln(x) + 34.795 R² = 0.9903 25.00 24.00 23.00 22.00 10 NUMERO DE GOLPES 100 Fuente: Elaboración Propia. 51 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Gráfico Nº5.4 Límite líquido suelo natural muestra 2 CURVA DE ESCURRIMIENTO PORCENTAJE DE HUMEDAD (%) 26.00 y = -1.47ln(x) + 29.101 R² = 0.9123 25.00 24.00 23.00 10 100 NUMERO DE GOLPES Fuente: Elaboración Propia. Tabla 5.3. Determinación del índice de plasticidad SUELO NATURAL Muestra 1 Muestra 2 LL = LP = IP = Promedio 25.40 13.31 12.09 24.40 13.17 11.23 11.66 Fuente: Elaboración propia. El suelo ensayado tiene un IP de 11.66, se le añadirá arena hasta bajarlo a IP = 10, 9, 8 y 6. 5.1.3. Clasificación Una vez realizados los ensayos de granulometría y límites se puede clasificar el suelo. Se usó ambos sistemas de clasificación dando como resultado: Tabla 5.4. Clasificación de Suelo SUELO NATURAL CLASIFICACIÓN UNIFICADA CLASIFICACIÓN AASHTO Muestra 1 Muestra 2 Fuente: Elaboración propia. CL ( Arcilla Fino Arenosa) CL ( Arcilla Fino Arenosa) A-6 (6) Regular a Malo A-6 (6) Regular a Malo 52 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 5.1.4. Hidrometría La norma especifica que, si se presenta un gran porcentaje de finos, se debe realizar el ensayo de hidrometría, con las partículas finas que pasan el tamiz N°200. Para obtener el porcentaje de limos y arcillas presentes en el suelo. Para obtener la distribución granulométrica por hidrometría se necesita los valores del peso específico de las partículas sólidas. Para las arcillas el peso específico suele variar entre 2.5 y 2.9, con un término medio estadístico de 2.7. A continuación se muestran los resultados del ensayo de granulometría por hidrometría de los suelos que pasan el tamiz Nº 200 (Ver Anexo). Tabla 5.5. Distribución granulométrica por hidrometría. Muestra 1 Porcentaje Diámetro de partículas [mm] pasa 0.0740 74.57 0.0294 27.97 0.0197 22.08 0.0144 18.40 0.0121 15.46 0.0088 12.51 0.0064 9.57 0.0045 8.10 0.0032 7.36 0.0013 6.63 Muestra 2 que Porcentaje Diámetro de partículas [mm] pasa 0.0740 71.46 0.0283 29.24 0.0191 23.67 0.0141 19.49 0.0119 16.71 0.0087 13.23 0.0063 10.44 0.0045 9.05 0.0031 7.66 0.0013 6.27 que Fuente: Elaboración propia. El material presenta un comportamiento limoso y no arcilloso como lo justifica el análisis hidrométrico, donde el 90% de las partículas tienen tamaño de grano mayor a 0.005mm. Sin embargo, este es el único ensayo que clasifica al suelo como limo, ya que los demás ensayos presentan comportamientos regido por las arcillas 53 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Gráfico Nº5.5 Distribución granulométrica por hidrometría muestra 1. 74.57 90.48 94.04 97.28 100.00 99.52 100.00 85.68 Porcentaje que pasa [%] 50.00 27.97 22.08 18.40 15.46 12.51 9.57 8.10 7.36 5.00 0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 Diámetro de las partículas [mm] 100.000 Fuente: Elaboración Propia. Gráfico Nº5.6 Distribución granulométrica por hidrometría muestra 2. 71.46 85.68 90.48 94.04 97.28 99.52100.00 Porcentaje que pasa [%] 50.00 5.00 0.001 29.24 23.67 19.49 16.71 13.23 10.44 9.05 7.66 0.010 0.100 1.000 10.000 Diámetro de las partículas [mm] 100.000 Fuente: Elaboración Propia. 54 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 5.1.5. Proctor Modificado Los resultados obtenidos para el suelo natural se presentan a continuación: DENSIDAD SUELO SECO (kg/dm³) Gráfico Nº5.7 Curva de peso unitario en función de la humedad. 2.15 2.10 2.05 2.00 1.95 1.90 1.85 1.80 1.75 7 8 9 10 11 12 13 14 CONTENIDO DE HUMEDAD (%h) 15 16 17 18 Fuente: Elaboración Propia. Tabla 5.6. Resultados Proctor Modificado. Peso Unitario Seco Máximo (Kg/m3) Humedad Óptima % 2.0328 10.75 Fuente: Elaboración propia. 5.1.6. California Bearing Ratio Una vez determinados la humedad óptima y el peso unitario seco máximo del ensayo proctor, se procedió a la ejecución del ensayo “CBR”: Tabla 5.7. Resultados ensayo CBR. No. golpes por capa 10 25 56 Peso unitario seco (kN/m3) 19.0 19.2 20.3 Peso unitario seco (remojado), (kN/m3) 19.0 19.2 20.4 Contenido de humedad, % 10.8 10.85 10.5 Contenido de humedad (remojado), % 17.9 15.3 12.9 Prueba de expansión, % 17.85 12.94 18.73 CBR, % (2,54 mm) 1.92 4.11 5.17 Fuente: Elaboración propia. 55 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Gráfico Nº5.8 Presión Vs Penetración. 800 10 golpes 25 golpes 700 56 golpes 600 Presión, kPa 500 400 300 200 100 0 0.0 2.0 4.0 6.0 Penetración, mm Fuente: Elaboración Propia. Gráfico Nº5.9 CBR Vs Peso Unitario Seco. 2,54 mm 6.0 2,54 mm 5.0 CBR, % 4.0 3.0 2.0 1.0 18.5 19.0 19.5 20.0 Peso unitario seco,kN/m3 20.5 Fuente: Elaboración Propia. 56 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 5.1.7. Módulo Resiliente La prueba de módulo de resiliencia proporciona como resultado no un valor de módulo sino un grupo de valores que dependen del estado de esfuerzos. La gráfica 5.10 muestra una gráfica típica de los resultados de una arcilla. En ésta se observa que el módulo de resiliencia se incrementa al incrementarse la presión de confinamiento y se reduce a medida que el esfuerzo desviador se incrementa. Las probetas ensayadas, fueron preparadas con la humedad óptima y el peso unitario seco resultados del Proctor modificado y aplicando la misma energía de compactación para su moldeo, como indica la norma AASHTO T-307. Con el objetivo de obtener valores confiables se evaluaron de 3 a 4 réplicas. Para obtener resultados análogos en las réplicas, las condiciones de compactación de las probetas se controlaron con una variación de ±0.5% con respecto a contenido de agua y ±1% con respecto a peso volumétrico. Se han desestimado los valores atípicos o dispersos de los datos para basarse en resultados reproducibles. A continuación figura los resultados de una muestra ensayada de suelo natural. Tabla 5.8. Resultados ensayo Módulo Resiliente. Secuencia Máximo esfuerzo desviador N° 0 1 2 3 4 5 6 7 8 KPa 27.6 13.8 27.6 41.4 55.2 68.9 13.8 27.6 41.4 Máximo esfuerzo desviador real KPa 29.5 14.7 29.5 43.9 58.9 73.5 14.8 29.5 43.9 Presión de Confinamiento σ₃ Bulk Stress ϴ Módulo resiliente MR KPa 41.4 41.4 41.4 41.4 41.4 41.4 27.6 27.6 27.6 kPa 153.7 138.9 153.7 168.1 183.1 197.7 97.6 112.3 126.7 kPa 50315 52307 50055 49390 50131 51510 54592 52619 50500 57 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 9 10 11 12 13 14 15 55.2 68.9 13.8 27.6 41.4 55.2 68.9 58.9 73.7 14.8 29.3 43.8 58.5 73.7 27.6 27.6 13.8 13.8 13.8 13.8 13.8 141.7 156.5 56.2 70.7 85.2 99.9 115.1 50590 50816 56335 51778 49944 49327 50138 Fuente: Elaboración propia. Gráfico Nº5.10 Módulo Resiliente Vs Bulk Stress. Modulo de Resiliencia (kPa) 40.0 y = 67596x-0.058 45000 Bulk Stress (kPa) Fuente: Elaboración Propia. Los puntos graficados anteriormente están agrupados por colores según a la misma presión de confinamiento. Del ajuste potencial se determinó: Tabla 5.9. Resultados de las constantes determinadas del gráfico. k1 67596 k2 -0.058 Fuente: Elaboración propia. Valores que posteriormente serán empleados para determinar el módulo resiliente, utilizando los diferentes modelos matemáticos. 58 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 5.2. Mezcla Suelo-Arena 5.2.1. Determinación de la cantidad de arena a añadir El objetivo de la presente investigación es reducir el IP de un suelo arcilloso añadiendo arena, para conseguir dicha meta se efectuó varios ensayos de límites con diferentes proporciones de arena, combinando así para obtener los IP propuestos en el alcance del proyecto. El porcentaje de arena presente en cada mezcla varió del 5% al 40%. En anexos se muestra los ensayos de límites para cada mezcla. A continuación se presentan los gráficos del análisis de las mezclas. Tabla 5.10. Resumen de resultados del ensayo de límites de las mezclas %Arena % SN LL LP IP 0 100 13.17 11.50 5 10 15 25 30 40 95 90 85 75 70 60 24.40 23.50 21.30 21.50 19.60 18.40 14.79 13.59 14.37 13.58 12.87 12.64 8.71 7.71 7.13 6.02 5.53 4.86 17.50 Fuente: Elaboración propia. Gráfico Nº5.11 % Arena Vs Límite Líquido. 25.00 24.00 Límite Líquido 23.00 22.00 y = -0.1736x + 23.985 R² = 0.9593 21.00 20.00 19.00 18.00 17.00 16.00 15.00 0 10 20 30 40 50 % Arena 59 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Fuente: Elaboración Propia. Gráfico Nº5.12 % Arena Vs Límite Plástico. 30.00 R² = 0.7803 25.00 % Arena 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0 5 10 15 20 25 30 Límite Plástico Fuente: Elaboración Propia. Gráfico Nº5.13 % Arena Vs IP. 12 y = -3.277ln(x) + 11.342 R² = 0.9907 10 % IP 8 6 4 2 0 0 5 10 15 25 30 40 %ARENA Fuente: Elaboración Propia. 60 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Gráfico Nº5.14 % Arena, LL, LP. 40 35 30 25 20 15 10 5 0 %Arena SN 0 95 5 90 10 85 15 75 25 70 30 60 40 LP 13.17 14.79 13.59 14.37 13.58 12.87 12.64 LL 24.40 23.50 21.30 21.50 19.60 18.40 17.50 Fuente: Elaboración Propia. Como se observa en la gráfica 5.11 la arena modifica directamente al límite líquido, con un comportamiento lineal. El límite líquido disminuye mientras se incrementa la cantidad de arena y no así al plástico que se mantiene casi constante., demostrado en las gráficas 5.11 y 5.12, lo cual es lógico, ya que la arena no tiene límite plástico, pero sí límite líquido. El índice de plasticidad decrece al añadir arena, con ajuste logarítmico y coeficiente de determinación del 99.07%. Dando resultados satisfactorios. Se hizo uso de la fórmula mostrada en el gráfico 5.13 para determinar la cantidad exacta de arena y arcilla a ser combinados, para los determinados IP: En la gráfica 5.14 se observa la comparación del límite líquido y plástico con la arena añadida. 61 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Tabla 5.11. Cantidades a usar para las mezclas %Arena % SN IP 0 100 11.5 2.85 97.15 10 4.90 95.10 9 8.30 91.70 8 23.00 77.00 6 Fuente: Elaboración propia. 5.2.2. Clasificación de las mezclas Una vez determinadas las cantidades de arena y suelo a mezclar, se procedió a realizar los ensayos de granulometría y clasificación correspondientes a cada mezcla. Resultando: Tabla 5.12. Clasificación de las mezclas CLASIFICACIÓN UNIFICADA CLASIFICACIÓN AASHTO IP %Arena % SN Sigla Descripción Sigla Descripción 10 2.85 97.15 SC Arena Arcillosa A-4 (1) Suelos limosos 9 4.90 95.10 SC Arena Arcillosa A-4 (1) Suelos limosos 8 8.30 91.70 SC Arena Arcillosa A-4 (1) Suelos limosos 6 23.00 77.00 SC-SM Arena limosa arcillosa A-4 (0) Suelos limosos Fuente: Elaboración propia. 5.2.3. Compactación mezclas de suelos Realizar pruebas de laboratorio para encontrar la relación entre la humedad y la masa unitaria del suelo se hace con el fin de mejorar el estado natural de éste. Compactando la arcilla y la arena a través del ensayo normal de compactación ya mencionado en el acápite 4.1, se densifica la estructura del suelo por lo que tendrá mayor capacidad de resistencia y menor compresibilidad. Se realizó dicho ensayo con el método A. A continuación se muestran los valores humedad - masa unitaria encontrada experimentalmente (Tabla 5.13) (Gráfico 5.15). 62 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Tabla 5.13. Resultados de proctor en función de la arena añadida. 97.15% Suelo Natural 95.10% Suelo Natural 91.70% Suelo Natural 77% Suelo Natural 2.85% Arena 4.90% Arena 8.30% Arena 23% Arena IP = 12 IP = 10 IP = 9 IP = 8 IP = 6 %H 10.75 10.7 10.53 9.35 6.85 Densidad Seca Ópt.(gr/cm3) 2.0328 2.052 2.0618 2.0904 2.147 100% Suelo natural Dosificaciones Fuente: Elaboración propia. Gráfico N°5.15 Humedad óptima, masa unitaria, % Arena. 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 0.000 Densidad opt 1 2.033 2 2.052 3 2.062 4 2.090 5 2.147 %H opt 10.75 10.7 10.53 9.35 6.85 %Arena 0 2.85 4.90 8.30 23.00 Fuente: Elaboración Propia. De la gráfica 5.15 podemos observar el comportamiento de la arcilla al mejorar su IP, el contenido de humedad óptimo decrece al aumentar arena mientras que el peso unitario seco aumenta. 63 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO En el gráfico 5.16 se grafican las curvas de compactación de cada mezcla, los valores máximos de humedad y peso unitario seco de cada dosificación se ajustan linealmente con R 2 = 0.9985. Gráfico Nº5.16 Curvas de compactación Proctor. 2.18 R² = 0.9985 Max; 2.147 2.13 Max; 2.090 2.08 Max; 2.062 Max; 2.052 2.03 1.98 1.93 2.50 4.50 Max 6.50 8.50 IP=10 10.50 IP=9 IP=8 12.50 14.50 IP=6 Max 16.50 Fuente: Elaboración Propia. 5.2.4. California Bearing Ratio “CBR” Una vez hallada las humedades óptimas y densidades máximas se procedió a la realización del ensayo de “CBR”. La definición del CBR se realiza a partir de la relación entre la tensión de referencia, correspondiente a la tensión necesaria para una penetración del pistón igual a 0,1 pulgada (2,54 mm), y la tensión estándar de 6,9 MPa. El CBR es un ensayo que evalúa la calidad del material en función de su resistencia, por tal motivo es determinante en el momento de escoger el uso del suelo para capa subrasante. 64 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Se obtuvo los siguientes resultados: Tabla 5.14. Resultados de penetración en función de arena añadida. %Arena 0.00 2.85 4.90 8.30 23.00 % SN 100.00 97.15 95.10 91.70 77.00 IP 11.50 10.00 9.00 8.00 6.00 CBR 10G 1.92 2.20 - CBR 25G 4.11 4.07 2.47 CBR 56G 5.17 10.94 11.824 2.01 2.83 4.20 1.65 2.20 4.18 Fuente: Elaboración propia. Gráfica Nº 5.17 CBR Vs %Arena Vs IP. 14.00 11.824 12.00 10.94 CBR 10.00 8.00 6.00 5.17 4.20 4.18 8.30 23.00 4.00 2.00 0.00 0.00 2.85 4.90 %Arena CBR 56G IP Fuente: Elaboración Propia. Tabla 5.15. Resultados de expansión en función de arena añadida %Arena % SN IP Exp 10G Exp 25G Exp 56G 0.00 2.85 4.90 8.30 23.00 100.00 97.15 95.10 91.70 77.00 11.50 10.00 9.00 8.00 6.00 17.85 11.83 - 12.94 12.93 30.32 18.73 9.33 9.40 13.29 14.18 19.22 12.37 25.13 27.79 Fuente: Elaboración propia. 65 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Gráfico Nº5.18 %Expansión Vs %Arena Vs IP. 30.00 27.79 Expansión % 25.00 20.00 19.22 18.73 15.00 9.404 9.33 10.00 5.00 0.00 0.00 2.85 4.90 8.30 23.00 %Arena Exp 56G IP Fuente: Elaboración Propia. Gráfico Nº5.19 Curva de diseño granular. 14.00 2.160 2.140 12.00 2.100 2.080 CBR 8.00 2.060 6.00 2.040 2.020 4.00 2.00 CBR 56G 2.000 Densidad seca max 1.980 0.00 Densidad sec max 2.120 10.00 1.960 0.00 2.85 4.90 8.30 23.00 %Arena Fuente: Elaboración Propia. 66 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO En la gráfica 5.17 se presenta un mayor valor para la relación de soporte de California, a medida que se incrementa el contenido de material granular (arena), pero solo hasta el porcentaje de 4.90% de arena, luego decrece. No importa la cantidad de material friccionante añadido a partir de ese límite, ya que el comportamiento lo rige el material arcilloso. De igual manera se puedo analizar en el gráfico 5.18 que a partir de ese límite la expansión no mejora. Los resultados obtenidos de los ensayos permiten construir una curva de diseño (gráfico 5.19). En esta figura se relacionan: porcentaje de arena, CBR y densidad seca máxima, para la energía de compactación Proctor modificado y con humedad óptima. En general, los pliegos de especificaciones técnicas establecen valores mínimos de CBR para el material componente de una capa determinada; de esta forma, mediante el empleo de las curvas presentadas en la gráfico 5.19, pueden establecerse tanto el porcentaje de arena necesario para incorporar al suelo arcilloso para lograr un valor específico de CBR como la densidad seca máxima del material compactado, con el fin de efectuar los controles de compactación en campo. 5.2.5. Módulo Resiliente De cada mezcla se realizó de 3 a 4 réplicas tratando de tener las mismas condiciones de humedad, densidad y energía de compactación. En algunas réplicas se tuvo datos dispersos, por condiciones del manejo del equipo y por condiciones de que en algunas probetas se encontraba en el lado seco y otras en el lado húmedo. Se analizó las probetas que se asemejen mejor a las condiciones determinadas y se obtuvo los siguientes resultados: 67 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Tabla 5.16. Resultados de módulo resiliente. IP12 IP10 IP9 IP8 IP6 Bulk Stress ϴ Módulo resiliente MR Bulk Stress ϴ Módulo resiliente MR Bulk Stress ϴ Módulo resiliente MR Bulk Stress ϴ Módulo resiliente MR Bulk Stress ϴ Módulo resiliente MR kPa kPa kPa kPa kPa kPa kPa kPa kPa kPa 153.7 50314.62 152.8 153.7 118261.98 151.4 100385.13 153.0 93637.57 138.9 52306.78 138.7 139.1 125905.58 136.7 120913.45 138.5 96797.96 153.7 50054.56 152.8 153.8 118145.82 151.3 100412.34 152.6 87042.02 168.1 49389.81 166.1 168.5 103403.35 163.9 94344.21 166.6 81393.44 183.1 50131.09 183.7 93378.91 179.6 84750.38 180.5 80835.48 197.7 51510.18 198.4 84688.05 192.5 80055.60 194.1 78753.97 97.6 54592.04 97.3 98.0 102519.36 96.2 105932.59 97.0 86278.59 112.3 52619.47 111.3 111.1 87372.54 108.7 92370.76 111.1 80714.75 126.7 50499.68 125.1 124.7 80399.67 123.4 79038.37 124.8 78951.82 141.7 50590.29 138.6 137.9 76053.45 136.5 72100.48 138.8 78696.75 156.5 50815.52 151.4 151.1 71522.97 152.7 68947.22 153.0 78437.05 56.2 56335.08 55.5 55.6 81091.16 54.4 88638.42 55.6 86913.91 70.7 51777.59 69.0 69.2 78173.86 67.7 78469.78 69.6 81133.83 85.2 49944.03 81.9 82.4 73305.32 81.8 69632.78 83.3 78487.52 99.9 49326.74 94.7 95.9 69561.47 95.8 65449.59 97.4 78294.51 115.1 50137.91 107.9 109.4 69620.35 109.5 63984.85 111.8 78777.05 96919.39 113083.60 96958.93 87373.53 109886.65 94676.70 88190.76 84052.43 78189.80 84624.02 76030.32 72348.44 67977.28 65638.81 Fuente: Elaboración propia. 68 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Gráfico Nº5.20 Resultados de módulo resiliente. IP12 IP10 IP9 MR (Kpa) IP8 IP6 Potencial (IP12) Potencial (IP10) Potencial (IP9) Potencial (IP8) Potencial (IP6) 45000.00 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 Bulk Stress (KPa) Fuente: Elaboración Propia. La nube de puntos obtenidos se grafica Mr Vs Bulk Stress, donde el eje del Mr debe estar en escala logarítmica, y los resultados deben ser ajustados, como así lo sugiere el estado del arte estudiado para este tema. Del ajuste potencial se determinó k1 y k2. Tabla 5.17. Resultados del ajuste potencial. IP k1 k2 11.5 10.00 9.00 8.00 6.00 67596.0 -0.058 40498 34751 60701 88342 0.1578 0.1903 0.0656 -0.016 Fuente: Elaboración propia. 69 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Con los datos obtenidos, el suelo que cumple con las especificaciones técnicas será el usado en la etapa de diseño. En la siguiente tabla se hace la verificación de las características que requieren las especificaciones técnicas. Para el suelos de IP=9. Tabla 5.18. Comparación de los resultados con las especificaciones técnicas. CARACTERÍSTICAS MÍNIMAS REQUERIDAS ABC Resultados OBSERVACIONES Tipo de suelo - A-4 (1) - Tamaño Máximo (cm) - - - Índice de Plasticidad ≤ 10 9 CUMPLE CBR. De laboratorio ≥ 8% 11.82% CUMPLE Fuente: Elaboración propia. 70 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO CAPÍTULO 6. 6.1. ANÁLISIS DE RESULTADOS Análisis de la Incidencia del Índice de Plasticidad en el Módulo Resiliente Para analizar los resultados inicialmente citaremos algunas referencias bibliográficas: El suelo cohesivo estudiado presenta un comportamiento decreciente con el esfuerzo desviador, comportamiento ampliamente estudiado y reportado en la literatura por autores como (Brown, 1996) (Monismith et al., 1975)[18]. Los materiales granulares (arena), incrementan el MR conforme la magnitud del esfuerzo aumente. Estudios realizadas por (Garnica Anguas et al., 2002) para cuatro granulometrías de material grueso bien y mal gradadas. La granulometría finalmente es un factor que ejerce variación representativa en el comportamiento dinámico, ya que al incrementar el material friccionante puede producir disminución del mismo. (Rojas et al,2014b) Las granulometrías pobremente gradadas presentan menor valor de módulo. Por lo que en suelos friccionantes el módulo se ve afectado por este parámetro físico. Los valores de MR obtenidos para los diferentes IP se pueden atribuir al efecto que tienen los esfuerzos y el tipo de grano que conforme el material, ya que las probetas fueron ensayadas para condiciones de humedad, saturación y densidad óptima. Además se puede evidenciar que las combinaciones con IP = 9% e IP = 10%, presentan mayores módulos debido a la granulometría que tiene un suelo granular de suelos con poco contenido de material fino. Hasta una reducción del IP=9%, el material presenta comportamientos típicos, y al disminuir más el IP el suelo presenta un comportamiento hibrido, pues para esfuerzos desviadores pequeños aumenta y luego empieza a reducir. 71 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Gráfico Nº6.1 Resultados de módulo resiliente en función del IP. 84.3 90 84.2 82.3 82.0 80 70 MR (Mpa) 60 51.6 50 40 30 20 10 0 11.5 10.0 9.0 8.0 6.0 % IP Fuente: Elaboración Propia. La mezcla 91.7%arcilla, 8.3%arena de IP=8%, sigue una tendencia de disminución clara al disminuir los esfuerzos de confinamiento al igual que la muestra que sigue reduciendo a IP =6%, mientras que las dosificaciones de 97.15%arcilla y 2.85%arena de IP=10% y de 95.08%arcilla y 4.92%arena de IP=9% son las mezclas que mejor comportamiento muestran, pues tanto sus resistencias como características dinámicas evaluadas han sido las más altas respecto a las demás mezclas, como se puede apreciar en el gráfico 6.1. Como es de esperarse, el incremento de material granular en el suelo arcillosa, aumenta la densidad seca del suelo y por lo tanto su rigidez. Así, las dosificaciones de IP=8% e IP=6% se esperarían aumento en su MR, sin embargo no es un comportamiento que se evidenció en laboratorio. También se puede observar en la gráfica 5.20 que la curva ajustada de la nube de puntos para las muestras de IP=9 e IP =10 son parecidas, y que la de IP= 8% IP=6% también son muy semejantes 72 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO entre sí. De igual manera se puede evidenciar que IP=6% presenta un comportamiento similar al suelo sin adición de arena. El suelo tendrá una mayor rigidez cuando en una arcilla, el porcentaje de material friccionante sea del 2.85% o 4.90% Es decir, el suelo con una granulometría bien gradada tiene mejor comportamiento dinámico. Una subrasante conformada por material cohesivo y un aumento del 2.85% o 4.90 % de suelo granular, presenta mejores comportamientos ya que resiste mayores cargas vehiculares generando menores deformaciones elásticas y plásticas. El incremento del material granular, al contrario de lo esperado, disminuye su comportamiento resiliente después del 4.9% de arena, sin embargo la fracción granular aumenta el módulo un 100% en comparación con los módulos presentado por el material 100% arcilla. 6.2. Comparación del Módulo Resiliente experimental con el obtenido mediante ecuaciones de correlación CBR-Mr Como se ha mencionado en el capítulo 2 para determinar el módulo resiliente experimental se realiza una regresión potencial a la nube de puntos y se hará uso de algunos modelos para determinarlo. Previo a eso, tenemos que calcular el estado de tensiones al cual estará sometida nuestra capa subrasante. Para tal efecto se hará uso de un programa llamado Pitra Pave, validado por la UNAME es una herramienta para el análisis mecánico de pavimentos basado en la teoría de multicapa elástica. Permite analizar el estado de tensiones para estructuras de capas múltiples en espacios semi-infinitos. 73 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO El estado de tensiones varía según la aplicación de la carga de tráfico, la densidad de las capas del pavimento y el tipo de material, coeficiente de Poisson y módulo elástico. Para el ejemplo de diseño se tomarán los datos de la doble vía Huarina- Achacachi. Se tendrá las siguientes características: Figura Nº6.1 Esquema de espesores. Fuente: Elaboración Propia. Tabla 6.1. Datos para calcular el estado de tensiones. Espesor de la capa de rodadura (hrod) Espesor de la capa base (hb) Prof. Punto P (Zp) Módulo Elástico de la Base (Eb) Módulo Elástico del hormigón (Er) Módulo Elástico de la subrasante (Esr) Peso específico de la capa de rod. (Υrod) Peso específico de la capa base (Υb) Fuente: Elaboración propia. 20 (cm) 25 (cm) 46 (cm) 203.4 (Mpa) 34473.8(Mpa) 48.15 (Mpa) 2300 (kg/cm3) 2900 (kg/cm3) Se analizará para un tráiler tridem, el más pesado para obtener las características más desfavorables para un pavimento. Tiene un peso de 45 (Tn). Al tener 18 llantas el peso de cada llanta será 2.5 74 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO (Tn). Por otra parte la presión de inflado σC está entre 0.7 – 0.85 (Mpa), se tomara σC=0.8 (MPa). El coeficiente de Poisson varía entre 0.3 – 0.5, en el proyecto se optó por 0.45. Una vez analizado se obtuvieron los siguientes resultados: Figura Nº6.2 Resultados Pitra Pave. Fuente: Programa Pitra Pave Tabla 6.2.Resultados Pitra Pave. σ3 load σ1 load 6696.9 (Pa) 13685 (Pa) Fuente: Elaboración propia. El programa da resultados de tensiones en el punto analizado del pavimento producidas por las cargas. A continuación se hará el cálculo para las tensiones derivadas de las capas de pavimento y el estado total de tensiones. 30<α <50 =40°; Asumido para grava 𝛾 ∗ℎ +𝛾 ∗ℎ𝐵 𝛾𝑝 = 𝑟𝑜𝑑ℎ 𝑟𝑜𝑑+ℎ 𝐵 𝛾𝑝 = 2300∗0.20+16491.1∗0.25 σ3pav = 0.20+0.25 𝑟𝑜𝑑 𝐵 K0 = 1-senα = 0.36 Ecuación [20] Ecuación [21] = 10183.9 kg/m3 k0*( 𝛾𝑝 *(ℎ𝑟𝑜𝑑 + ℎ𝐵 )) Ecuación [22] 75 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO σ3pav = 0.36*10183.9*0.45*9.81 = 16178.85 Pa σ3total = 16178.85+6696 = 22874.85 Pa σd load = 6696- 13685= 6989 Pa σd pave = 16178.85 0.36 -16178.85= 28762.40 Pa σd total = σd pav +σd load Ecuación [23] σd total =.40+ 6989 =35751.40 Pa El Bulk Stress será: θ= (σ1pav+ σ1load ) +2 (σ3pav+ σ3load ) Ecuación [24] θ= (44941.24+13685) +2*(16178.85+6696) = 104375.94 (Pa) = 104.37 (MPa) Una vez obtenida el estado de esfuerzos se procederá al cálculo del módulo resiliente experimental. Se usará 3 modelos explicados en el capítulo 2. Tabla 6.3. Resultados Módulo resiliente experimental. Modelo k- θ Modelo k-σd %Arena IP k1 (Kpa) k2 θ (Kpa) Mr Mpa Mr Mpa 0 11.5 67596.0 -0.058 104.376 51.623 69.976 2.85 10.00 40498 0.1578 104.376 84.3274019 36.8586419 4.90 9.00 34751 0.1903 104.376 84.1602397 31.0206295 8.30 8.00 60701 0.0656 104.376 82.3409802 58.3707736 23.00 6.00 88342 -0.016 104.376 82.0105304 89.1894869 Fuente: Elaboración propia. 76 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Tabla 6.4. Resultados Módulo resiliente experimental Modelo MEPDG. Modelo MEPDG %Arena IP 0 11.5 2.85 10.00 4.90 9.00 8.30 8.00 23.00 6.00 Fuente: Elaboración propia. k1 k2 k3 Mr Mpa 1.0 0.9638542 0.9698416 1.0190226 1.1179588 0.309 0.342552 0.338805 0.336998 0.316157 -4.04756443 -3.9066845 -3.84270108 -3.67617944 -3.1315614 28.4722693 29.8916024 30.4704306 33.2412854 40.9453623 De las tablas 6.3 y 6.4 se puede observar que los valores de Mr calculados con diferentes modelos no se asemejan. En el modelo k-θ, el módulo máximo es el de IP=10 e IP=9, y va decreciendo con el incremento de arena. Demostrando el mismo comportamiento del resultado de CBR. Mientras que los otros dos modelos aumenta el Mr con la adición del material friccionante. El modelo MEPDG no sigue el mismo comportamiento, ya que sus variables k1, k2 y k3 están en función del material (granulometría, humedad, densidad). En el gráfico 6.2. se presenta los valores de Mr para diferentes contenidos de arena calculados con los modelos de predicción mencionados. Gráfico Nº6.2. Comparación de los modelos. 84 90 80 89 84 82 70 MR (Mpa) 70 58 52 60 50 40 82 37 28 30 41 30 31 33 30 20 10 0 11.5 10.0 9.0 8.0 6.0 IP Modelo MEPDG Modelo k-σd Modelo k- θ 77 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Fuente: Elaboración Propia. Para este proyecto de grado el modelo que mejor se ajusta al comportamiento del Mr es el k-θ. Los otros dos modelos no serán considerados para comparar con el resultado obtenido por correlación. Los resultados de la correlación de CBR-Mr son los siguientes: Tabla 6.5. Resultados Módulo resiliente hallado por correlación CBR-Mr. [12] [13] [14] [15] [16] [17] %Arena IP CBR Mr Mpa Mr Mpa Mr Mpa Mr Mpa Mr Mpa Mr Mpa 0.00 11.5 5.17 51.70 122.20 51.51 61.09 54.29 18.15 2.85 10.00 10.94 109.45 208.29 83.25 99.47 114.92 29.00 4.90 9.00 11.824 118.24 220.048 87.466 104.596 124.151 30.436 8.30 8.00 5.00 50.00 119.33 56.52 59.78 52.50 17.77 23.00 6.00 4.18 41.79 105.04 44.95 53.20 43.88 15.89 Fuente: Elaboración propia. Nota.- Los números entre corchetes son las designaciones a las fórmulas descritas en el capítulo 2. Calculando el error entre el módulo hallado por correlación y el experimental tenemos: Tabla 6.6. Resultados del error. Error Error [12] 0.15 29.79 [13] 136.72 147.00 [14] 0.22 1.28 [15] 18.34 17.96 [16] 5.16 36.28 [17] 64.84 65.61 40.49 161.46 3.93 24.28 47.52 63.84 39.28 44.92 31.35 27.40 36.24 78.41 49.04 28.08 45.19 35.13 46.50 80.63 103.64 16.39 24.62 34.34 70.67 PROMEDIO 31.75 Fuente: Elaboración propia. 78 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Gráfico 6.3. Comparación Mr experimental Vs Mr teórico. 250 MR (Mpa) 200 150 100 50 0 0.0 2.9 4.9 8.3 23.0 [17] Modelo k- θ %Arena [12] [13 [14] [15] [16] Fuente: Elaboración Propia. De la gráfica 6.3, se observa que las correlaciones que más se aproximan al dato real son [12], [14] y [15]). Tabla N°6.7. Modelos para encontrar el Mr a partir del C.B.R. EXPRESIÓN MATEMÁTICA DEL MODELO Mr (Mpa) Mr = 10 x C.B.R.[12] Referencia Mr = 18 x C.B.R.0.64[14] Método de diseño Shell Heukelom y Foster (1960) Cuerpo de Ingenieros de Los Estados Unidos Green y Hall (1975) TRRL LISTER (1987) Mr = 21 x C.B.R.0.65[15] Consejo de Suráfrica Ayres (1997) Mr = B x C.B.R.[16] Guía de Diseño AASHTO 93 B = 10,5 para CBR<10 Mr = 6.5 x C.B.R.0.625[17] Colombia Suelos de Bogotá Mr = 38 x C.B.R.0.711[13] Fuente: Extraído Capítulo 2, subtítulo 2.4. El modelo que más se asemeja a los resultados experimentales es el de TRRL LISTER, con un error del 16.39%. Graficando %Arena Vs Mr con los resultados más semejantes a la realidad se tiene: 79 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Gráfica Nº6.4. %Arena Vs Mr experimental Vs Mr teórico. 100 90 Mr (Mpa) 80 70 60 50 40 30 0 5 10 15 20 25 %Arena Mr Experimental Mr Teórico Fuente: Elaboración Propia. De la gráfica 6.4 se concluye que el módulo resiliente mejora con la adición de arena hasta llegar a un límite y mantiene ese comportamiento sin importar cuanto más material friccionante se añada. El Mr hallado por correlaciones se asemeja a los resultados obtenidos en laboratorio en 0%, 2.85% y 4.9% de material friccionante añadido. Luego reduce en gran en comparación con el experimental. 80 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO CAPÍTULO 7. EJEMPLO DE APLICACIÓN Realizado el análisis de la variabilidad que tiene el módulo resiliente añadiendo material friccionante, se procedió a realizar un ejemplo de diseño del pavimento rígido con el método MEPDG y PCA, aplicando los resultados obtenidos en el presente proyecto de grado. Dentro del alcance de este proyecto está realizar un ejemplo de aplicación práctico sin hacer énfasis en la entrada de datos que suponen un estudio más profundo. Por tanto, para algunos datos se usarán los predeterminados en el programa o de otros proyectos. 7.1. Datos generales El diseño se realizará para la calle Andrés Bello (ingreso al campus universitario) en la zona de Cota Cota del departamento de La Paz. Concluido el aforo, se tiene la siguiente composición vehicular: Tabla N°7.1 Composición vehicular. Tipo de vehículo % Composición vehicular Automóvil-vagoneta Camionetas (2 TN) Otros livianos Motos Micro bus Bus mediano Bus grande Camión pequeño Camión mediano Camión grande 74 6 11 2 0 3 0 0 3 1 Total (%)= 100 Fuente: Elaboración propia. El TPDA inicial será 482 (veh/día). 81 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO La vía es de dos carriles de 3.5m cada una, ida y vuelta, velocidad de proyecto de 60km/hr. El vehículo tipo para calcular el estado de tensiones será un camión de 13 (TN) de eje simple. Se procedió de la misma manera que en el capítulo anterior para determinar el estado de tensiones, con ayuda del programa Pitra Pave y cálculos adicionales. Dando como resultado el estado el Bulk stress siguiente: ∅ = 85.33 (𝐾𝑝𝑎) Ecuación 25 Como resultado del capítulo 5, la mezcla de IP=9 cumple con las especificaciones técnicas y será utilizada para el ejemplo de diseño como capa subrasante. Para analizar la incidencia en el diseño que tiene la elección de una correlación, se diseñará con 2 valores de Mr, uno hallado experimentalmente y el otro será el que presenta mayor error. Tabla N°7.2. Resultados de módulo resiliente a usar. Mr Mr Exp Mr [17] k-θ Colombia Mpa Psi 80.99 30.44 12685.87 4414.95 Fuente: Elaboración propia. 7.2. Diseño MEPDG 7.2.1. Criterios de comportamiento El valor inicial del Índice de regularidad (IRI) que necesariamente debe cumplir es 2 mm/km que equivale a 126.75 (in/mi). Terminado el periodo de diseño (20 años), se espera que llegue a 4.5 mm/km correspondiente a 285.187 (in/mi), Valores típicos usados en Bolivia. El agrietamiento transversal (%losas fisuradas) a usar es del 15% y el promedio de las fallas de las juntas es 0.12. Con una confiabilidad del 90%. Valores típicos. 82 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 7.2.2. Tráfico Se usarán la composición vehicular mostrada en la tabla 7.1 con una tasa de crecimiento del 4%. El ajuste mensual no se modificará. La distribución horaria usada será la predeterminada en el programa, al no contar con los datos suficientes. La composición del tráfico vehicular es diferente el que maneja la ABC con el del programa. De tal manera, se realizá la adaptación de los datos a la flota vehicular del MEPDG como se muestra en el manual del programa adjunto en anexos. Los factores de distribución de carga por eje y demás datos de entrada no serán modificados al no contar datos suficientes. 7.2.3. Clima El programa de la AASHTO 2002 tiene una base de datos del clima incorporado, el análisis del modelo climático propio de la región no está incluido en el alcance del presente proyecto, así que se asumió una zona que se asemeje a las condiciones climáticas donde está emplazado el proyecto. El lugar elegido es Kansas. 7.2.4. Estructura Asumiremos que la capa Subbase será un suelo del tipo A-1b con un CBR de 80%, de espesor de 25 (cm). Características típicas de una subbase conformada. Para la capa subrasante se utilizará el suelos con IP=9, con características mencionadas en la tabla 5.18. La capa de rodadura será de hormigón y con pasanjuntas, tendrá un espesor de 20 (cm), dato inicial, después se iterará para cumplir los criterios de diseño. Módulo de rotura de 45 (kg/m2) equivalente 83 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO a 640.05 (Psi), módulo elástico E= 250000 (kg/m 2)= 3555835.83 (Psi), peso unitario de 150(pcf) y coeficiente de Poisson μ= 0.2. 7.2.5. Resultados de las comparaciones Con los datos descritos anteriormente, se obtuvieron los siguientes resultados para el diseño usando como dato el módulo resiliente experimental: Figura Nº7.1. Resumen de Resultados de confiabilidad. Project: TESIS.dgp Reliability Summary Performance Criteria Terminal IRI (in/mi) Transverse Cracking (% slabs cracked) Mean Joint Faulting (in) Distress Target Reliablity Target 285.187 15 0.12 90 90 90 Distress Reliability Predicted Predicted Acceptable 141.2 6.1 0 99.999 90.75 99.999 Pass Pass Pass Fuente: Programa MEPDG. De la figura anterior se tiene que la estructura planteada satisface los parámetros de aceptación con los espesores impuestos. El programa de la guía también permite ver los deterioros para todas las predicciones que se adjuntará a continuación: 84 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº7.2. Predicción de fallas 0.14 0.12 0.10 Faulting, in 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Pavement age, years Faulting Faulting at specified reliability Faulting Limit Fuente: Programa MEPDG. Figura Nº7.3. Eficiencia de transferencia de carga a través del tiempo. 100 99 Load transfer efficiency, % 98 97 96 95 94 93 92 91 90 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Pavement age, years Fuente: Programa MEPDG. 85 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº7.4. Daño acumulativo en años 0.4 0.4 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Pavement age, years 18 20 Top-down 22 Bottom-up Fuente: Programa MEPDG. Figura Nº7.5. Falla en losas fisuradas. Percent slabs cracked, % Cumulative damage 0.3 25 Percent slabs cracked Cracked at specified reliability Limit percent slabs cracked 20 15 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Pavement age, years Fuente: Programa MEPDG. 86 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº7.6. Predicción del IRI. Predicted IRI 300 IRI, in/mile 250 200 150 100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Pavement age, years IRI IRI at specified reliability IRI Limit Fuente: Programa MEPDG. Cabe recalcar que los resultados obtenidos no precisamente son exactos, debido a que no se diseñó totalmente con datos reales, pero si nos servirán para comparar los espesores obtenidos con el módulo resiliente hallado experimentalmente y los hallados por correlación. Siguiendo el mismo procedimiento, se calculó espesores para los módulos resilientes hallados por correlación. A continuación se presenta la tabla de espesores finales que cumplen los parámetros establecidos: Tabla N°7.3. Resultados de espesores. Mr exp Mr [17] Espesor CR (cm) 20.00 23.00 Espesor CSB (cm) 25.00 25.00 Fuente: Elaboración propia. 87 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 7.3. Diseño PCA Introduciendo los mismos datos del diseño MEPDG, a la hoja de cálculo método PCA, resultó lo siguiente: Figura Nº7.7.Datos ingresados a la planilla PCA. PORTLAND CEMENT ASSOCIATION METHOD Metric Units English Units CONCRETE DATA Modulus of Rupture Thickness Modulus of Elasticity Unit Weight Coef. of Thermal expansion Poisson's ratio Radius of Relative Stiffness Coefficient of Variation MR H E1 WT CT u l CV 45.00 kg/cm2 20.00 cm 252000 k/cm2 2,400 kg/m3 1.08E-05 /°C 0.2 78.24 cm 0.15 640.05 7.87 3,600,000 150 6.00E-06 0.2 30.80 0.15 psi in psi pcf /°F in PAVEMENT DATA Total Width Numbers of Lanes Width Lane Slab Length Concrete Shoulders Doweled Joints Tie Bars Annual Growth Rate Desing Period Drying Shrinkage Coefficient Tw Nl W Sl Sh Dj Tb Tca Dp Lse 7.00 m 22.97 2.00 m 6.56 3.50 m 11.48 3.50 m 11.48 NO ( yes or no ) YES ( yes or no ) NO ( yes or no ) 4 % 4 20 Years 20 0.0003 0.0003 ft ft ft ft % Years FOUNDATION PAVEMENT STRUCTURE C.B.R. CBR 11.00 % 11.00 K on Top off Base K 4.70 k/cm2 169.49 Sub Base Type ( Choisse Untreated or Treated ) = untreated Untreated Sub Base Depth 25 cm 9.84 Elastic Module 297 k/cm2 4247.57 0 cm 0.00 Treated Sub Base Depth Elastic Module 0 k/cm2 0.00 Coefficient of Friction Between Sub Base and Slab 2.00 % pci in psi in psi ENVIROMENTAL DATA Mean Annual Wind Speed Mean Annual Temperarure Mean Annual Precipitation 60.00 30.00 30.00 kph °C cm 37.29 86.00 11.81 mph °F in Fuente: Programa PCA. 88 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº7.8.Datos del tráfico. PORTLAND CEMENT ASSOCIATION METHOD TRAFFIC DATA Desing Period Two Way Daily Traffic ( ADT ) Average Daily Traffic in Desing Directions Percent of All Trucks in Desing Directions Percent Trucks in Desing Lane Percent of Light Wheels in Desing Directions Numbers of Lanes in Desing Directions Average Daily Traffic in Desing Lane Load Safety Factor 20.00 Years 482 241 50 % 100 % 50 % 1 121 1.2 Dp ADT ADTD PAD PTD PLW Nl ADTL LSF Fuente: Programa PCA. Figura Nº7.9.Análisis por fatiga y erosión. AXLE LOAD BY LSF LSF 1.20 kips CONCRETE FATIGUE ANALISYS TOTAL STRESS EXPECTED CONCRETE REPETITIONS STRESS RATIO psi ALLOWABLE REPETITIONS N CONCRETE EROSION ANALISYS FATIGUE PERCENT CONCRETE POWER FACTOR ALLOWABLE REPETITIONS DAMAGE PERCENT % N % 640.0 Sum of Single Fatigue 1% Sum of erosion Fatigue 0.1% Trial Thickness 7.87 Sub Base Subgrade K 169.4941137 Doweled Joints YES Doweled Joints YES Concrete Shoulders NO Concrete Shoulders NO Ruputure Module SINGLE AXLES 5 8 9.2 14 17.6 21.5 26 6.00 89 43,223 0.139 Unlimited 0.0% 1.66 Unlimited 0.0% 9.60 139 - 0.217 Unlimited 0.0% 4.25 Unlimited 0.0% 11.04 158 - 0.247 Unlimited 0.0% 5.62 Unlimited 0.0% 16.80 235 - 0.367 Unlimited 0.0% 13.01 84,363,988 0.0% 21.12 291 - 0.455 27,619,233 0.0% 20.56 10,601,610 0.0% 25.80 352 1,621 0.549 128,053 1.3% 30.69 2,766,292 0.1% 31.20 420 - 0.657 6,345 0.0% 44.88 884,720 0.0% Portland Cement Association Method AXLE BY LSF CONCRETE FATIGUE ANALISYS LOAD LSF TOTAL EXPECTED CONCRETE ALLOWABLE FATIGUE REPETITIONS PERCENT 1.20 STRESS REPETITIONS STRESS RATIO kips psi N % Ruputure Module 640.0 Sum of Single Fatigue PCA 1988 CONCRETE EROSION ANALISYS CONCRETE POWER FACTOR 0.0% ALLOWABLE REPETITIONS DAMAGE PERCENT N % Sum of erosion Fatigue 0.2% TANDEM AXLES 31 40 44 48 37.20 222 48.00 283 2,161 0.348 Unlimited 0.0% 26.09 4,652,305 0.0% 0.442 Unlimited 0.0% 43.43 973,368 0.2% 52.80 309 0.483 1,966,925 0.0% 52.55 561,355 0.0% 57.60 336 0.524 281,981 0.0% 62.54 342,255 0.0% Total Concrete Fatigue = 1.3% Total Erosion Fatigue = 0.3% Fuente: Programa PCA. 89 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº7.10.Verificaión de estrés. CURLING STREESES Space Joint = Lx/l = Cx = 11.48 4.47 0.55 ft Width = Ly/l = Cy = 11.48 4.47 0.55 POSITIVE DIFFERENTIAL Stress X ( Interior ) Stress Y ( Interior ) Stress X ( Edge ) Stress Y ( Edge ) = 169.33 169.33 135.46 135.46 Stress Due To Friction = 11.94 Psi Base Type Joint Opening Allowable Joint Opening Maximun Slab Length = = = = Untreated 0.0040 0.25 14.12 in in ft = = = 193.48 103.44 130.53 = = ft NEGATIVE DIFFERENTIAL 68.59 68.59 54.87 54.87 ok Stress ok Stress ok Stress ok Stress STRESS DUE TO FRICTION ok Stress Factor Base = 0.8 Doweled 4.30 mt INTERIOR AND CORNER STRESS Edge Stress Interior Stress Corner Stress ok Stress ok Stress ok Stress Fuente: Programa PCA. Figura Nº6.11.Resultados PCA. Fuente: Elaboración Propia. Se concluye que los métodos MEPDG y PCA reportan espesores iguales. En el método MEPDG usó el valor determinado en laboratorio de módulo resiliente, mientras que el método PCA se diseñó en base al CBR. 90 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO CAPÍTULO 8. CONCLUSIONES Se efectuaron satisfactoriamente los ensayos correspondientes para caracterizar físicamente los suelos de Cota Cota, siguiendo las metodologías de ensayo AASHTO y ASTM correspondientes. La clasificación del suelo natural corresponde a un Suelo Arcilloso de Regular a Malo tipo A-6(6) en el Sistema AASHTO y de acuerdo al Sistema Unificado de Suelos (SUCS), la muestra es una Arcilla Fino Arenosa de sigla CL. El suelo natural tiene un Índice de Plasticidad IP = 11.5%. Del ensayo granulométrico por hidrometría se determinó un 90% de limos y 10% de arcilla respecto al porcentaje de finos de la muestra natural que es 71.46%. De acuerdo al ensayo de Compactación Proctor Modificado (T-180), un Peso Unitario Seco Máximo de 2.0328 (kg/cm3) y Humedad Óptima del 10.75%. Con un CBR de 5.17% y expansión de 18.73%. Claramente resulta ser un suelo no apto para uso de capa subrasante. Según especificaciones técnicas de la Administradora Boliviana de Carreteras. Aplicando la metodología de ensayo de la Norma AASHTO T-307, se logró determinar el módulo resiliente del suelo arcilloso dando como resultado 51.623 (MPa). Se combinaron suelo natural y arena se realizó el ensayo de Límite Líquido y Límite Plástico, calculando el Índice de Plasticidad para diferentes combinaciones de sueloarena. El Límite Plástico de la mezcla no varía en gran magnitud, manteniéndose casi constante, pero no es el mismo caso del Límite Líquido. Éste se modifica reduciendo su valor, siguiendo una tendencia lineal de R2= 0.9593. Se observa que la arena al no poseer límite plástico, no tiene ningún efecto sobre el límite plástico de la mezcla resultante. El Índice de Plasticidad decrece de manera logarítmica con el incremento de material friccionante. Del ajuste logarítmico, se determinó la ecuación representativa de éste 91 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO material %IP= -3.277 ln( %Arena)+11.342, con R2 =0.9907. Con la ayuda de esta ecuación se calculó el %Arena a añadir para poder tener IP establecidos en el alcance del presente proyecto de grado. Añadiendo 2.85% de arena obtenemos un IP=10; con 4.9 % de arena un IP= 9%; con 8.3% de arena un IP=8% y con 23% de arena un IP=6. Se puede observar que no se necesita gran cantidad de arena para que el %IP cumpla las especificaciones técnicas. La adición de la arena en la arcilla de estudio hace variar el contenido de humedad óptimo reduciendo su valor, debida a que la arena tiene mayor superficie específica, por lo tanto necesita menor cantidad de agua, para poder llegar a su humedad óptima. Mientras que el Peso Unitario Seco Máximo aumenta con la adición de arena, al ser las partículas del material friccionante más pesadas que la de arcilla. Existe una relación lineal entre los valores óptimos de humedad y peso unitario de las mezclas, con un coeficiente R2 = 0.9985. Del ensayo CBR se determinó que a medida que incrementa el contenido de material granular (arena) aumenta el CBR, pero solo hasta el porcentaje de 4.90% de arena añadida, mejora hasta un CBR de 11.82% luego decrece. Demostrando que no influye la cantidad de material friccionante presentado en la mezcla a partir de ese límite, ya que el comportamiento lo rige el material arcilloso. La dosificación que presentó mejores características mecánicas es del IP=9%, con un CBR de 11.82. Se realizaron de manera satisfactoria los ensayos de triaxial cíclico para determinar el Módulo Resiliente de las mezclas arcilla - arena. Se ensayó de 3 a 4 réplicas por dosificación para verificar la reproducibilidad de los resultados. Se pudo observar que dos especímenes de una misma muestra pueda bajar el Mr con el aumento del estado de 92 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO tensiones y de la misma forma aumentar el Mr incrementando el estado de tensiones, esto se explica por el contenido de humedad, al comparar los resultados de las ramas seca y húmeda de la curva de compactación, se evidencia que el módulo resiliente es mayor en la rama seca, estando ambos dentro del rango de humedad aceptable. (+0.5%). La mezcla suelo – arena disminuye su módulo resiliente después del 4.9% de arena añadida, sin embargo la fracción granular adicionada en pequeñas cantidades aumenta el módulo un 100%. Aunque los materiales granulares presentan mejores propiedades ante cargas cíclicas, no necesariamente la incorporación de material friccionante en la mezcla suelo - arena responderá de la misma manera. Los resultados de módulo de resiliencia experimental se graficaron con un ajuste potencial. Se determinaron las constantes k1, k2 y k3 y se sustituyeron en los modelos de predicción, para poder expresar la ecuación final de comportamiento. El modelo que mejor representa los resultados obtenidos es el modelo k-θ, éste fue el utilizado para determinar el valor de módulo resiliente. En la gráfica 6.3 se observó que el modelo recomendado por MEPDG para predicción de módulo resiliente produce resultados demasiado conservadores que se pueden traducir en sobredimensionamiento del paquete estructural. Finalmente con la ayuda de los ensayos en suelos se determinó que la dosificación con mejores características es la mezcla de 4.90% de arena y 95.10 % Suelo natural con un IP = 9. 93 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Bajo instrucciones del Laboratorio Central ABC se redactó el manual de uso del equipo, para que sirva de guía para la realización del ensayo triaxial cíclico. Adjuntado en anexos. Existen diversas correlaciones para estimar el módulo de resiliencia. La desventaja de algunas es que han sido obtenidas para suelos específicos. Otras sólo aplican a un estado de esfuerzos y otras contienen demasiadas variables, lo cual dificulta su implementación. Al verificar los modelos empíricos se observó que para algunas mezclas las correlaciones indican valores muy similares, en otras mezclas subestima o sobrestima los valores. Las correlaciones que más se aproximan a los resultados reales son la de los franceses [14] TRRL LISTER (1987), [12] Método de diseño Shell Heukelom y Foster (1960), [15] Consejo de Suráfrica Ayres (1997), para el tipo de suelo estudiado. Se realizó el diseño de prueba con las metodologías MEPDG y PCA, y en base a los resultados de ambos métodos, las condiciones propuestas satisface los criterios de prueba para todos los parámetros de análisis. El espesor de la capa de rodadura será de 20 (cm) y de la capa subbase 25 (cm). Ambas metodologías dieron los mismos espesores usando los datos reales y los hallados teóricamente de módulo resiliente. Analizando el diseño MEPDG, se pudo establecer que elegir una correlación CBR-Mr inadecuada para la subrasante puede provocar sobredimensionamiento en el diseño del paquete estructural y se demuestra la importancia de determinar el Mr experimentalmente. Bajo el convenio UMSA – ABC se encarga las actividades de realizar el manual de cargado de datos para el programa de diseño mecánico empírico MEPDG. 94 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO CAPÍTULO 9. RECOMENDACIONES En este estudio, se realizaron pruebas con suelos arcillosos de Cota Cota, pero no con la cantidad de muestras suficientes para desarrollar modelos generales de predicción de módulos resilientes. Por tanto, se deben realizar más pruebas con diferentes tipos de suelos para validar el uso de los modelos y correlaciones recomendados antes de su uso en el diseño de pavimentos. No se recomienda mezclar grandes cantidades de arena con suelo arcilloso, ya que se demostró que no mejora sus características mecánicas y dinámicas a partir de cierto punto. Se deben hacer mezclas con arcillas de otras regiones del país para verificar el comportamiento que presentó el suelo estudiado. El módulo resiliente es muy sensible con los parámetros resultantes del ensayo Proctor, por tanto, se recomienda cuidado en la preparación y conformación de la muestra, se debe verificar que tenga la humedad y densidad requerida. La ejecución del ensayo debe hacerse de forma cuidadosa, pues hay muchos parámetros que pueden afectar el resultado. Con el fin de disminuir la dispersión de los resultados de una misma muestra en diferentes réplicas, controlar en todo momento el error de amplitud del pulso de carga al cual se somete el espécimen sea cercano a cero y no permitir que este sobrepase el error 15%. También verificar las calibraciones correspondientes a los transductores y la celda de carga, para obtener resultados más confiables. Antes de utilizar una correlación de CBR-Módulo resiliente, se debe verificar si ésta es la adecuada a las características del suelo que se desea usar como capa subrasante. 95 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Para suelos arcillosos con características similares a las del presente proyecto, se sugiere utilizar la correlación TRRL LISTER. Para evitar sobredimensionamiento o subdimensionamiento del paquete estructural, se recomienda determinar el módulo resiliente en laboratorio. 96 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO CAPÍTULO 10. BIBLIOGRAFÍA 14 Acuña, I. M. J. (2009). Implementación del ensayo módulo resiliente en bases granualares para pavimentos. 136. 9 Alberto José Puy Santín. (2005). Influencia de la temperatura en el Límite Líquido para suelos con diferentes índices de plasticidad (Tesina). Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Barcelona, España. Andrés Sebastian Cevallos Luna. (2012). “Determinación del límite líquido y plástico de los 8 suelos mediante el uso del penetrómetro cónico”. Pontificia universidad católica del ecuador, Quito, Ecuador. AASHTO (2003) T-307 “Standard Method of Test for Determining the Resilient Modulus of 19 Soils and Aggregate Materials” American Association of State Highway and Transportation Officials. 15 Diseño de Pavimentos. (2015). Metodologías de diseño de pavimentos rígidos (Vol. 12). 2 Erdem çöleri. 2007. «Relationship between resilient modulus and soil index properties of unbound materials». School of natural and applied sciences of middle east technical university. 6 Escuela de Ingeniería de Alta Montaña (septiembre de1998). Curso de actualización de diseño estructural de caminos Método AASHTO 93. San Juan: Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de San Juan. 16 Ing. Fabricio Leiva Villacorta. (2002). Nueva guía de diseño mecanística-empírica para estructuras de pavimento (VISTAZO A LA GUÍA 2002, PROYECTO NCHRP I 37A). 3 Instituto Mexicano del Transporte (2001) Módulos de resiliencia en suelos finos y materiales granulares (142) Queretaro, Safandila 97 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 1 Jesús Armando Sesma Martínez, Paul Garnica Anguas, & José Antonio Gómez López. (2002, Sanfandila, Qro). Mecánica de materiales para pavimentos. 7 Juárez, E. (2002). Mecánica de Suelos, Tomo II, D.F. México: Limusa. 4 Laura Marcela Rojas Quintero. 2014. «Evaluación del módulo resiliente y deformación permanente en material arcilloso con presencia de material friccionante». Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá. 12 Moossazadeh J. and M. W. Witczak, “Prediction of Subgrade Moduli for Soil that Exhibits Nonlinear Behavior”, Transportation Research Record 810, TRB, National Research Council, Washington, D.C., pp 9-17. 18 Monismith, C. 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Resilient Modulus: What, Why and How? 98 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Stubstad, R.N. et al., “NCHRP Web Document # 52: LTPP Data Analysis: Feasibility of Using FWD Deflection Data to Characterize Pavement Construction Quality”, Project 20-59 (9), Washington, D.C., 2002. Vidal Valencia, J., & Osorio Mora, R. I. (2006). Comportamiento resiliente de suelos finos granulares. Revista Universidad EAFIT, 42(141), 20. Yau Amber, and H. L. Von Quintus., “Study of LTPP Laboratory Resilient Modulus Test Data 11 and Response Characteristics”, Final Report, October 2002 (FHWA-RD-02-051), USDOT, FHWA, October 2002. 20 Guía de diseño. (2002) 99 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO ANEXO A: ENSAYOS SUELO NATURAL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES LABORATORIO CENTRAL FACULTAD DE INGENIERIA ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Cota Cota Muestra: Código: Profundidad: Operador: Daniela M.Cortéz A. Suelo Natural Calculista: Daniela M.Cortéz A. SN M1 1.5 (m) Encargado de Lab.: Fecha de ensayo: Ing. Jorge Claure 21/05/2019 GRANULOMETRÍA POR TAMIZADO Humedad Natural - Tara No. Tara + muestra húmeda (g) Tara + muestra seca (g) Peso del agua (g) Peso de la tara (g) Peso de la muestra seca(g) Contenido de humedad (%) Humedad Higroscopica 22 1241.40 1153.60 87.80 133.00 1020.60 8.60 PESO SECO DE LA MUESTRA TOTAL Peso total de la muestra húmeda Peso muestra retenida tamiz Peso muestra que pasa tamiz Peso del agua Peso muestra seca pasa tamiz Peso de la muestra total seca (g) No. 10 No.10 (g) No.10 (g) 8841.50 1057.00 7784.50 616.64 7167.86 8224.86 ANALISIS DEL AGREGADO GRUESO 1" 3/4" 3/8" No. 4 No.10 Total 25.40 19.10 9.52 4.76 2.00 135.70 7.10 185.10 260.30 399.70 987.90 1.65 0.09 2.25 3.16 4.86 1.65 1.74 3.99 7.15 12.01 98.35 98.26 96.01 92.85 87.99 CURVA GRANULOMÉTRICA 100 90 Porcentaje que pasa [%] Tamiz Abertura Peso % Parcial ACUMULADO mm Retenido Retenido % Retenido % Pasa (g) % Rp %Rt %Pt 2 1/2" 63.50 0.00 0.00 100.00 2" 50.80 0.00 0.00 100.00 1 1/2" 38.10 0.00 0.00 100.00 80 70 60 50 40 30 20 10 ANALISIS MECANICO DEL MORTERO 609.50 Peso muestra húmeda (g) Peso muestra seca (g) 115.90 Abertura Tamiz mm 0 0.01 Retenido % Retenido % Pasa (g) % Rt 10.00 100.00 CARACTERISTICAS DE LA GRANULOMETRÍA %Pasa del Total No. 10 2.00 0.00 0.00 100.00 87.99 No. 20 No. 40 0.85 0.42 17.30 16.70 2.84 2.74 2.84 5.58 97.16 94.42 85.49 83.08 No. 60 No. 100 No. 200 No. 400 Total 0.25 0.150 0.074 0.037 13.50 25.80 41.20 2.21 4.23 6.76 7.79 12.03 18.79 92.21 87.97 81.21 81.13 77.41 71.46 114.50 1.00 Diámetro de las partículas [mm] ANALISIS DEL AGREGADO FINO Peso % Parcial ACUMULADO Retenido 0.10 D10= CU = D30= Cc= D60= GRAVA ARENA FINO TOTAL (%) (%) (%) (%) 7.15 21.39 71.46 100.00 OBSERVACIONES: 100 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA CIVIL LABORATORIO CENTRAL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Cota Cota Operador: Daniela M.Cortéz A. Muestra: Suelo Natural Calculista: Daniela M.Cortéz A. Código: Profundidad: SN M1 1.5 (m) Encargado de Lab.: Fecha de ensayo: Ing. Jorge Claure 21/05/2019 LIMITES DE ATTERBERG LIMITE LIQUIDO (L.L.) Cápsula Nº Nº de golpes Suelo húmedo + cápsula (Wh) Suelo seco + cápsula (Ws) Peso de agua Pa =(Wh-Ws) Peso de cápsula (Wc) Peso suelo seco Ps=(Ws-Wc) Porcentaje de humedad %h=Pa*100/Ps 24 17 35.7335 31.4136 4.32 15.2123 16.20 26.66 CURVA DE ESCURRIMIENTO 50 21 37.1198 32.6352 4.48 15.2679 17.37 25.82 43 28 33.6096 29.9287 3.68 15.1871 14.74 24.97 31 45 40.3235 35.5411 4.78 15.4249 20.12 23.77 o y = -2.916ln(x) + 34.795 R² = 0.9903 PORCENTAJE DE HUMEDAD (%) 27.00 26.00 25.00 24.00 23.00 22.00 10 100 NUMERO DE GOLPES LIMITE PLÁSTICO (L.P) Cápsula Nº Suelo húmedo + cápsula (Wh) Suelo seco + cápsula (Ws) Peso de agua Pa =(Wh-Ws) Peso de cápsula (Wc) Peso suelo seco Ps=(Ws-Wc) Porcentaje de humedad %h=Pa*100/Ps 77 29.4108 27.7350 1.68 15.2910 12.44 13.47 84 30.8266 29.0396 1.79 15.4576 13.58 13.16 13.3 RESULTADOS LL = 25.4 LP = 13.3 IP = 12.1 OBSERVACIONES: 101 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA CIVIL LABORATORIO CENTRAL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Muestra: Código: Profundidad: Cota Cota Suelo Natural SN M2 1.5 (m) Operador: Daniela M.Cortéz A. Calculista: Daniela M.Cortéz A. Encargado de Lab.: Ing. Jorge Claure Fecha de ensayo: 21/05/2019 GRANULOMETRÍA POR TAMIZADO Higroscópica Tara No. Tara + muestra húmeda (g) Tara + muestra seca (g) Peso del agua (g) Peso de la tara (g) Peso de la muestra seca(g) Contenido de humedad (%) Tamiz 2 1/2" 2" 1 1/2" 1" 3/4" 3/8" No. 4 No.10 - Humedad Natural 47-22 385.30 363.30 22.00 111.10 252.20 8.72 ANALISIS DEL AGREGADO GRUESO Abertura Peso % Parcial ACUMULADO mm Retenido Retenido % Retenido % Pasa (g) % Rp %Rt %Pt 63.50 0.00 0.00 100.00 50.80 0.00 0.00 100.00 38.10 0.00 0.00 100.00 25.40 0.00 0.00 100.00 37.50 0.48 0.48 99.52 19.00 175.20 2.24 2.72 97.28 9.52 4.76 253.00 3.24 5.96 94.04 2.00 278.50 3.56 9.52 90.48 Total 744.20 PESO SECO DE LA MUESTRA TOTAL Peso total de la muestra húmeda Peso muestra retenida tamiz Peso muestra que pasa tamiz Peso del agua Peso muestra seca pasa tamiz Peso de la muestra total seca (g) No. 10 No.10 (g) No.10 (g) 8400.00 1146.50 7253.50 581.97 6671.53 7818.03 CURVA GRANULOMÉTRICA 100 90 Porcentaje que pasa [%] Humedad 80 70 60 50 40 30 20 10 ANALISIS MECANICO DEL MORTERO Peso muestra húmeda (g) 550.50 Peso muestra seca (g) 97.80 0 0.01 0.10 1.00 Abertura Peso % Parcial mm Retenido Retenido % Retenido % Pasa (g) No. 10 2.00 No. 20 No. 40 No. 60 No. 100 No. 200 No. 400 Total 0.85 0.42 0.25 0.150 0.074 0.037 15.70 13.50 11.80 21.00 34.80 96.80 100.00 CARACTERISTICAS DE LA ANALISIS DEL AGREGADO FINO Tamiz 10.00 Diámetro de las partículas [mm] ACUMULADO %Pasa del Total % Rt 0.00 0.00 100.00 90.48 2.85 2.45 2.14 3.81 6.32 2.85 5.30 7.45 11.26 17.58 97.15 94.70 92.55 88.74 82.42 87.90 85.68 83.74 80.29 74.57 GRANULOMETRÍA D10= CU = D30= Cc= D60= GRAVA ARENA FINO TOTAL (%) (%) (%) (%) 5.96 19.47 74.57 100.00 OBSERVACIONES: 102 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA CIVIL LABORATORIO CENTRAL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Cota Cota Operador: Daniela M.Cortéz A. Muestra: Suelo Natural Calculista: Daniela M.Cortéz A. Código: Profundidad: SN M2 1.5 (m) Encargado de Lab.: Fecha de ensayo: Ing. Jorge Claure 21/05/2019 LIMITES DE ATTERBERG LIMITE LIQUIDO (L.L.) Cápsula Nº Nº de golpes Suelo húmedo + cápsula (Wh) Suelo seco + cápsula (Ws) Peso de agua Pa =(Wh-Ws) Peso de cápsula (Wc) Peso suelo seco Ps=(Ws-Wc) Porcentaje de humedad %h=Pa*100/Ps 43 17 30.5692 27.4889 3.0803 15.1827 12.3062 25.0305 CURVA DE ESCURRIMIENTO 31 22 28.2399 25.7134 2.5265 15.4217 10.2917 24.5489 24 32 38.3066 33.8798 4.4268 15.2365 18.6433 23.7447 77 44 40.0630 35.3131 4.7499 15.2842 20.0289 23.7152 y = -1.47ln(x) + 29.101 R² = 0.9123 PORCENTAJE DE HUMEDAD (%) 26.00 25.00 24.00 23.00 10 100 NUMERO DE GOLPES LIMITE PLÁSTICO (L.P) Cápsula Nº Suelo húmedo + cápsula (Wh) Suelo seco + cápsula (Ws) Peso de agua Pa =(Wh-Ws) Peso de cápsula (Wc) Peso suelo seco Ps=(Ws-Wc) Porcentaje de humedad %h=Pa*100/Ps 84 27.2783 25.9299 1.3484 15.4695 10.4604 12.8905 50 23.7918 22.7815 1.0103 15.2684 7.5131 13.4472 13.17 RESULTADOS LL = 24.4 LP = 13.2 IP = 11.2 OBSERVACIONES: 103 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA CIVIL LABORATORIO CENTRAL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Muestra: Código: Profundidad: Achocalla Arena A Operador: Daniela M.Cortéz A. Calculista: Daniela M.Cortéz A. Encargado de Lab.: Ing. Jorge Claure Fecha de ensayo: 22/05/2019 GRANULOMETRÍA POR TAMIZADO Higroscópica Tara No. Tara + muestra húmeda (g) Tara + muestra seca (g) Peso del agua (g) Peso de la tara (g) Peso de la muestra seca(g) Contenido de humedad (%) Tamiz 2 1/2" 2" 1 1/2" 1" 3/4" 3/8" No. 4 No.10 - Humedad Natural 0.00 ANALISIS DEL AGREGADO GRUESO Abertura Peso % Parcial ACUMULADO mm Retenido Retenido % Retenido % Pasa (g) % Rp %Rt %Pt 63.50 0.00 0.00 100.00 0.00 0.00 0.00 100.00 50.80 38.10 0.00 0.00 0.00 100.00 0.00 0.00 0.00 100.00 25.40 0.00 0.00 0.00 100.00 19.00 9.52 0.00 0.00 0.00 100.00 39.40 1.77 1.77 98.23 4.76 2.00 237.00 10.67 12.44 87.56 Total 276.40 PESO SECO DE LA MUESTRA TOTAL Peso total de la muestra húmeda Peso muestra retenida tamiz Peso muestra que pasa tamiz Peso del agua Peso muestra seca pasa tamiz Peso de la muestra total seca (g) No. 10 No.10 (g) No.10 (g) 2222.00 298.00 1924.00 0.00 1924.00 2222.00 CURVA GRANULOMÉTRICA 100 90 Porcentaje que pasa [%] Humedad 80 70 60 50 40 30 20 10 ANALISIS MECANICO DEL MORTERO Peso muestra húmeda (g) 645.90 Peso muestra seca (g) 611.10 0 0.01 0.10 1.00 Abertura Peso % Parcial mm Retenido Retenido % Retenido % Pasa (g) No. 10 2.00 No. 20 No. 40 No. 60 No. 100 No. 200 No. 400 Total 0.85 0.42 0.25 0.150 0.074 0.037 191.20 197.80 104.00 81.00 33.30 607.30 100.00 CARACTERISTICAS DE LA ANALISIS DEL AGREGADO FINO Tamiz 10.00 Diámetro de las partículas [mm] ACUMULADO %Pasa del Total % Rt 0.00 0.00 100.00 87.56 29.60 30.62 16.10 12.54 5.16 29.60 60.23 76.33 88.87 94.02 70.40 39.77 23.67 11.13 5.98 61.64 34.83 20.73 9.75 5.23 GRANULOMETRÍA D10= 9.00 CU = 0.09 D30= 28.00 Cc= 102.48 D60= 0.85 (%) (%) (%) (%) 1.77 92.99 5.23 100.00 GRAVA ARENA FINO TOTAL OBSERVACIONES: 104 1.50 1.5 - Suelo Natural Suelo Natural Arena SN M2 A (m) Prof. SN M1 Código Muestra muestra ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS LABORATORIO CENTRAL - 8.72 8.60 (%) Humedad natural No.4 No.10 No.20 No.40 No.60 No.140 No.200 100 100 98.23 87.56 61.64 34.83 20.73 9.75 5.23 100.00 99.52 94.04 90.48 87.90 85.68 83.74 80.29 74.57 100.00 98.26 92.85 87.99 85.49 83.08 81.13 77.41 71.46 1 1/2" 3/4" GRANULOMETRIA ( % PASA ) 24.4 25.4 LL NP 13.2 13.3 LP LIMITES CLASIFICACIÓN DE SUELOS NP 11.2 12.1 IP SP-SM CL CL SIGLA SIGLA A-6(6) A-6 (6) A-3 (0) ARCILLA FINO ARENOSA ARCILLA FINO ARENOSA ARENA POBREMENTE GRADUADA Arena fina Suelo arcilloso Regular a malo Suelo arcilloso Regular a malo DESCRIPCION CLASIFICACIÓN AASHTO DESCRIPCION CLASIFICACIÓN UNIFICADA ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 105 14:55 14:57 15:00 15:05 15:10 15:25 15:55 16:55 19:05 14:55 30/05/2019 30/05/2019 30/05/2019 30/05/2019 30/05/2019 30/05/2019 30/05/2019 30/05/2019 30/05/2019 31/05/2019 0.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 0.00 35.00 30.00 26.00 22.00 18.00 16.00 15.00 14.00 Lectura hidrometrica [g/l] 43.00 Correcciones [g/l] 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Temperatura 0.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.00 -6.00 -6.00 -6.00 -6.00 -6.00 -6.00 -6.00 -6.00 -6.00 Peso de la muestra humeda, utilizada en el análisis hidrometrico: Peso de la muestra seca, utilizada en el análisis hidrométrico Peso específico del suelo(Gs): 0 2 5 10 15 30 60 120 250 1440 Temperatura [C] Operador: Encargado de Lab.: Ing. Victor Bermejo Daniela M.Cortéz A. Daniela M.Cortéz A. 2.810 97.92 100.00 0.0 38.0 30.0 25.0 21.0 17.0 13.0 11.0 10.0 9.0 0.000 37.5 29.6 24.7 20.7 16.8 12.8 10.9 9.9 8.9 Fecha de ensayo: 30/05/2019 ANALISIS GRANULOMÉTRICO DE SUELOS, (MÉTODO HIDROMÉTRICO 152-H) Menisco 1.5 (m) Liquido de dispercion Profundidad: Lectura hidrometrica corregida [g/l] SN M1 Porcentaje mas fino [%] Código: Tiempo transcurrido [minutos] Calculista: 0.000 10.1 11.4 12.2 12.9 13.5 14.2 14.5 14.7 14.8 0.00 10.09 10.09 10.09 10.09 10.09 10.09 10.09 10.09 10.09 0.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 Determinación de humedad higroscopica Peso suelo humedo y capsula [gr.] : 102.23 Peso suelo seco y capsula [gr.] : 101.66 Peso del agua [gr.] : 0.57 74.81 Peso de la capsula [gr.] : Peso suelo seco [gr.] : 26.85 Porcentaje de humedad [%] : 2.12 0.000 27.973 22.084 18.403 15.459 12.514 9.570 8.097 7.361 6.625 Porcentaje relativos [%] Suelo Natural Altura efectiva de caida [cm] Cota Cota 0.0000 0.0131 0.0131 0.0131 0.0131 0.0131 0.0131 0.0131 0.0131 0.0131 Constante k ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS LABORATORIO CENTRAL Viscosidad [milipoise] Muestra: Fecha FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA CIVIL Peso especifico del agua Procedencia: Hora UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES Diametro de las particulas [mm] 0.000 0.0294 0.0197 0.0144 0.0121 0.0088 0.0064 0.0045 0.0032 0.0013 Diametro de las particulas [micras] 0.0 29.4 19.7 14.4 12.1 8.8 6.4 4.5 3.2 1.3 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 106 Porcentaje que pasa [%] 0.00 0.001 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 7.36 8.10 0.010 9.57 22.08 18.40 15.46 12.51 27.97 1.000 Diámetro de las partículas [mm] 0.100 74.57 85.68 CURVA GRANULOMÉTRICA 90.48 94.04 10.000 97.28 100.000 100.00 99.52100.00100.00 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES LABORATORIO CENTRAL FACULTAD DE INGENIERIA ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 107 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES LABORATORIO CENTRAL FACULTAD DE INGENIERIA ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Cota Cota Muestra: Suelo Natural Código: SN M1 Profundidad: 1.5 (m) Índice de Plasticidad: 11.50% Operador: Calculista: Encargado de Lab.: Fecha de ensayo: Daniela M.Cortéz A. Daniela M.Cortéz A. Ing. Jorge Claure 01/07/2019 ENSAYO DE COMPACTACIÓN PROCTOR MODIFICADO ASTM D1557 Método: A Molde: 4 pulg. Nº de capas Nº de golpes por capa Suelo húmedo + molde (kg) Peso del molde (kg) Peso del suelo húmedo (Ph)(kg) Volumen de la muestra (Vm) (dm³) Densidad suelo húmedo (Dh) Nº de cápsula Peso del suelo húmedo + cápsula Peso del suelo seco + cápsula Peso del agua (Pa) Peso de la cápsula Peso del suelo seco (Ps) Contenido de humedad (%h) Densidad suelo seco (Ds) Saturacion Lectura en (kg) Penetración Nº de aguja Area aguja (cm²) Penetración (kg/cm²) Material a usar : 5 25 5.037 2.9795 2.058 0.943 2.182 86 253.80 241.00 12.80 102.80 138.20 9.20 1.998 2.150 5 25 5.108 2.9795 2.129 0.943 2.257 11 588.10 539.90 48.20 111.70 428.20 11.26 2.029 2.059 Pas. N° 4 5 25 5.070 2.9795 2.091 0.943 2.217 50 393.60 358.90 34.70 107.40 251.50 13.71 1.950 1.960 y = 0.0011x 3 - 0.0472x 2 + 0.642x - 0.7512 R² = 1 2.15 DENSIDAD SUELO SECO (kg/dm³) 5 25 4.965 2.9795 1.986 0.943 2.106 4 429.60 375.30 54.30 60.80 314.50 17.28 1.796 1.832 2.10 2.05 2.00 1.95 1.90 1.85 1.80 1.75 7 8 9 10 11 12 13 8.00 14 15 16 17 18 CONTENIDO DE HUMEDAD (%h) H.óptima 10.75 % Densidad seca m ax: (Kg/dm 3) 2.0328 OBSERVACIONES.- 108 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA LABORATORIO CENTRAL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Muestra: Código: Cota Cota Suelo Natural SN Índice de Plastcidad: 11.5% Operador: Calculista: Encargado de Lab.: Daniela M.Cortéz A. Daniela M.Cortéz A. Ing. Jorge Claure Fecha de ensayo: 14/08/2019 RELACIÓN SOPORTE DE CALIFORNIA (CBR) ASTM D1883 DATOS DEL ENSAYO Condiciones: Muestra sumergida Masa de sobrecarga: 4540 g Ensayo de Compactación: Próctor Modificado Método de compactación: A D. RESULTADOS No. golpes por capa 10 25 56 Peso unitario seco, kN/m3 19.0 19.2 20.3 Peso unitario seco (remojado), kN/m3 19.0 19.2 20.4 Contenido de humedad, % 10.8 11.1 10.5 Contenido de humedad (remojado), % 17.9 15.3 12.9 Prueba de expansión, % 17.85 12.94 18.73 CBR, % (2,54 mm) 1.92 4.11 5.17 2,54 mm 800 6.0 10 golpes 2,54 mm 25 golpes 700 56 golpes 5.0 600 4.0 CBR, % Presión, kPa 500 400 3.0 300 2.0 200 1.0 100 0 0.0 2.0 4.0 Penetración, mm 6.0 0.0 18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 Peso unitario seco,kN/m3 109 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA LABORATORIO CENTRAL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO DETERMINACION DE MODULO RESILIENTE DE MATERIALES GRANULARES Y SUELOS AASHTO T-307 Procedencia: Cota Cota Operador: Daniela M.Cortéz A. Muestra: Suelo Natural Calculista: Daniela M.Cortéz A. Código: SN M3 Encargado de Lab.: Ing. Jorge Claure Fecha de ensayo: 22/05/2019 Profundidad: 1.5 (m) Índice de Plasticidad: 12% 3. ENSAYO Datos del especimen: D: 99.4 mm Ww: 3504.8 g H: 200.0 mm w: 10.8% 2 Area: 7760.02 mm 3 Volumen: 1552003.32 mm γs: 2.02 g/cm³ Bulk Stress Modulo resiliente σ₃ ϴ MR KPa kPa kPa 29.5 41.4 153.7 50315 14.7 41.4 138.9 52307 27.6 29.5 41.4 153.7 50055 3 41.4 43.9 41.4 168.1 49390 4 55.2 58.9 41.4 183.1 50131 5 68.9 73.5 41.4 197.7 51510 6 13.8 14.8 27.6 97.6 54592 7 27.6 29.5 27.6 112.3 52619 8 41.4 43.9 27.6 126.7 50500 9 55.2 58.9 27.6 141.7 50590 10 68.9 73.7 27.6 156.5 50816 Secuencia Maximo esfuerzo desviador Maximo esfuerzo desviador real Presion de Confinamiento N° KPa KPa 0 27.6 1 13.8 2 11 13.8 14.8 13.8 56.2 56335 12 27.6 29.3 13.8 70.7 51778 13 41.4 43.8 13.8 85.2 49944 14 55.2 58.5 13.8 99.9 49327 15 68.9 73.7 13.8 115.1 50138 (kPa) Modulo de Resiliencia 40.0 45000 y = 67596x -0.058 R² = 0.3008 Bulk Stress (kPa) 110 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO ANEXO B: ENSAYOS MEZCLAS ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO LABORATORIO CENTRAL UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA CIVIL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO GRANULOMETRIA COMBINADA DE LOS AGREGADOS ANALISIS GRANULOMETRICO - COMBINANDO LOS AGREGADOS IP= 10 %Arena= 2.85 %SN= 97.15 COMPOSICION GRANULOMETRICA TAMIZ 1" 3/4" 1/2" 3/8 " Nº 4 Nº 10 Nº 20 Nº 40 Nº 60 Nº 100 Nº 200 Abertura [mm] 25.4 19.05 12.7 9 4.75 2 0.85 0.43 0.25 0.15 0.075 Grava % Que Pasa 98.35 98.26 96.01 92.85 87.99 87.99 85.49 83.08 81.13 77.41 71.46 Arena % Que Pasa 100.00 100.00 100.00 98.23 87.56 87.56 61.64 34.83 20.73 9.75 5.23 PROPORCIONES 97.15% 2.85% 95.55 2.85 95.46 2.85 93.28 2.85 90.20 2.80 85.48 2.50 85.48 2.50 83.05 1.76 80.71 0.99 78.82 0.59 75.20 0.28 69.42 0.15 % Que Pasa Final 98.40 98.31 96.13 93.00 87.98 87.98 84.81 81.71 79.41 75.48 69.57 Granulometria - Instituto de Asfaltos 100 90 80 % que Pasa 70 60 50 40 30 20 10 0 0.01 0.1 1 10 100 Abertura en mm (Escala Logaritmica) Minima Maxima Agregado 111 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO LABORATORIO CENTRAL UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA CIVIL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO GRANULOMETRIA COMBINADA DE LOS AGREGADOS ANALISIS GRANULOMETRICO - COMBINANDO LOS AGREGADOS IP= 9 %Arena= 4.9 %SN= 95.1 COMPOSICION GRANULOMETRICA TAMIZ 1" 3/4" 1/2" 3/8 " Nº 4 Nº 10 Nº 20 Nº 40 Nº 60 Nº 100 Nº 200 Abertura [mm] 25.4 19.05 12.7 9 4.75 2 0.85 0.43 0.25 0.15 0.075 Grava % Que Pasa 98.35 98.26 96.01 92.85 87.99 87.99 85.49 83.08 81.13 77.41 71.46 Arena % Que Pasa 100.00 100.00 100.00 98.23 87.56 87.56 61.64 34.83 20.73 9.75 5.23 PROPORCIONES 95.10% 4.90% 93.53 4.90 93.45 4.90 91.31 4.90 88.30 4.81 83.68 4.29 83.68 4.29 81.30 3.02 79.01 1.71 77.16 1.02 73.61 0.48 67.96 0.26 % Que Pasa Final 98.43 98.35 96.21 93.11 87.97 87.97 84.32 80.72 78.17 74.09 68.21 Granulometria - Instituto de Asfaltos 100 90 80 % que Pasa 70 60 50 40 30 20 10 0 0.01 0.1 1 10 100 Abertura en mm (Escala Logaritmica) Minima Maxima Agregado 112 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO LABORATORIO CENTRAL UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA CIVIL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO GRANULOMETRIA COMBINADA DE LOS AGREGADOS ANALISIS GRANULOMETRICO - COMBINANDO LOS AGREGADOS IP= 8 %Arena= 8.3 %SN= 91.7 COMPOSICION GRANULOMETRICA TAMIZ 1" 3/4" 1/2" 3/8 " Nº 4 Nº 10 Nº 20 Nº 40 Nº 60 Nº 100 Nº 200 Abertura [mm] 25.4 19.05 12.7 9 4.75 2 0.85 0.43 0.25 0.15 0.075 Grava % Que Pasa 98.35 98.26 96.01 92.85 87.99 87.99 85.49 83.08 81.13 77.41 71.46 Arena % Que Pasa 100.00 100.00 100.00 98.23 87.56 87.56 61.64 34.83 20.73 9.75 5.23 PROPORCIONES 91.70% 8.30% 90.19 8.30 90.11 8.30 88.04 8.30 85.14 8.15 80.69 7.27 80.69 7.27 78.40 5.12 76.18 2.89 74.40 1.72 70.98 0.81 65.53 0.43 % Que Pasa Final 98.49 98.41 96.34 93.29 87.95 87.95 83.51 79.08 76.12 71.79 65.96 Granulometria - Instituto de Asfaltos 100 90 80 % que Pasa 70 60 50 40 30 20 10 0 0.01 0.1 1 10 100 Abertura en mm (Escala Logaritmica) Minima Maxima Agregado 113 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO LABORATORIO CENTRAL UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA CIVIL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO GRANULOMETRIA COMBINADA DE LOS AGREGADOS ANALISIS GRANULOMETRICO - COMBINANDO LOS AGREGADOS IP= 6 %Arena= 23 %SN= 77 COMPOSICION GRANULOMETRICA TAMIZ 1" 3/4" 1/2" 3/8 " Nº 4 Nº 10 Nº 20 Nº 40 Nº 60 Nº 100 Nº 200 Abertura [mm] 25.4 19.05 12.7 9 4.75 2 0.85 0.43 0.25 0.15 0.075 Grava % Que Pasa 98.35 98.26 96.01 92.85 87.99 87.99 85.49 83.08 81.13 77.41 71.46 Arena % Que Pasa 100.00 100.00 100.00 98.23 87.56 87.56 61.64 34.83 20.73 9.75 5.23 PROPORCIONES 77.00% 23.00% 75.73 23.00 75.66 23.00 73.93 23.00 71.49 22.59 67.75 20.14 67.75 20.14 65.83 14.18 63.97 8.01 62.47 4.77 59.60 2.24 55.02 1.20 % Que Pasa Final 98.73 98.66 96.93 94.09 87.89 87.89 80.01 71.98 67.24 61.85 56.23 Granulometria - Instituto de Asfaltos 100 90 80 % que Pasa 70 60 50 40 30 20 10 0 0.01 0.1 1 10 100 Abertura en mm (Escala Logaritmica) Minima Maxima Agregado 114 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES LABORATORIO CENTRAL FACULTAD DE INGENIERIA ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Cota Cota Operador: Daniela M.Cortéz A. Muestra: Suelo Natural Calculista: Daniela M.Cortéz A. Código: Profundidad: SN M1 1.5 (m) Encargado de Lab.: Fecha de ensayo: Ing. Jorge Claure 21/05/2019 % Suelo Natural: 95% %Arena: 5% LIMITES DE ATTERBERG LIMITE LIQUIDO (L.L.) Cápsula Nº Nº de golpes Suelo húmedo + cápsula (Wh) Suelo seco + cápsula (Ws) Peso de agua Pa =(Wh-Ws) Peso de cápsula (Wc) Peso suelo seco Ps=(Ws-Wc) Porcentaje de humedad %h=Pa*100/Ps 27 16 42.1435 37.8342 4.31 20.4375 17.40 24.77 CURVA DE ESCURRIMIENTO 25 28 40.9745 36.1298 4.84 15.3061 20.82 23.27 38 38 36.9983 33.0768 3.92 15.4236 17.65 22.21 y = -2.923ln(x) + 32.909 R² = 0.9957 o PORCENTAJE DE HUMEDAD (%) 26.00 25.00 24.00 23.00 22.00 21.00 20.00 1 10 100 NUMERO DE GOLPES LIMITE PLÁSTICO (L.P) Cápsula Nº Suelo húmedo + cápsula (Wh) Suelo seco + cápsula (Ws) Peso de agua Pa =(Wh-Ws) Peso de cápsula (Wc) Peso suelo seco Ps=(Ws-Wc) Porcentaje de humedad %h=Pa*100/Ps 38 26.2117 25.4705 0.74 20.5509 4.92 15.07 14 39.0291 37.8158 1.21 29.4594 8.36 14.52 14.8 RESULTADOS LL = 23.5 LP = 14.8 IP = 8.7 OBSERVACIONES: 115 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES LABORATORIO CENTRAL FACULTAD DE INGENIERIA ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Cota Cota Operador: Daniela M.Cortéz A. Muestra: Suelo Natural Calculista: Daniela M.Cortéz A. Código: Profundidad: SN M1 1.5 (m) Encargado de Lab.: Fecha de ensayo: Ing. Jorge Claure 21/05/2019 % Suelo Natural: 90% %Arena: 10% LIMITES DE ATTERBERG LIMITE LIQUIDO (L.L.) Cápsula Nº Nº de golpes Suelo húmedo + cápsula (Wh) Suelo seco + cápsula (Ws) Peso de agua Pa =(Wh-Ws) Peso de cápsula (Wc) Peso suelo seco Ps=(Ws-Wc) Porcentaje de humedad %h=Pa*100/Ps 82 17 42.8600 37.3100 5.55 12.5300 24.78 22.40 CURVA DE ESCURRIMIENTO 81 21 38.5400 34.0100 4.53 12.7400 21.27 21.30 72 30 31.9300 27.6500 4.28 7.3300 20.32 21.06 y = -2.401ln(x) + 28.985 R² = 0.8803 8 35 43.5100 38.2900 5.22 12.6600 25.63 20.37 o PORCENTAJE DE HUMEDAD (%) 23.00 22.00 21.00 20.00 1 10 100 NUMERO DE GOLPES LIMITE PLÁSTICO (L.P) Cápsula Nº Suelo húmedo + cápsula (Wh) Suelo seco + cápsula (Ws) Peso de agua Pa =(Wh-Ws) Peso de cápsula (Wc) Peso suelo seco Ps=(Ws-Wc) Porcentaje de humedad %h=Pa*100/Ps 36X 32.5500 30.1700 2.38 12.6600 17.51 13.59 77 23.8300 22.3100 1.52 11.1300 11.18 13.60 13.6 RESULTADOS LL = 21.3 LP = 13.6 IP = 7.7 OBSERVACIONES: 116 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES LABORATORIO CENTRAL FACULTAD DE INGENIERIA ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Cota Cota Operador: Daniela M.Cortéz A. Muestra: Suelo Natural Calculista: Daniela M.Cortéz A. Código: Profundidad: SN M1 1.5 (m) Encargado de Lab.: Fecha de ensayo: Ing. Jorge Claure 21/05/2019 % Suelo Natural: 85% %Arena: 15% LIMITES DE ATTERBERG LIMITE LIQUIDO (L.L.) Cápsula Nº Nº de golpes Suelo húmedo + cápsula (Wh) Suelo seco + cápsula (Ws) Peso de agua Pa =(Wh-Ws) Peso de cápsula (Wc) Peso suelo seco Ps=(Ws-Wc) Porcentaje de humedad %h=Pa*100/Ps 78 17 57.3676 52.2771 5.09 29.6172 22.66 22.46 CURVA DE ESCURRIMIENTO 43A 22 56.5002 51.7257 4.77 29.9636 21.76 21.94 28 29 55.3019 50.7376 4.56 29.2645 21.47 21.26 y = -2.885ln(x) + 30.747 R² = 0.9471 33 64.1641 58.3023 5.86 29.6245 28.68 20.44 o PORCENTAJE DE HUMEDAD (%) 23.00 22.00 21.00 20.00 19.00 18.00 1 10 100 NUMERO DE GOLPES LIMITE PLÁSTICO (L.P) Cápsula Nº Suelo húmedo + cápsula (Wh) Suelo seco + cápsula (Ws) Peso de agua Pa =(Wh-Ws) Peso de cápsula (Wc) Peso suelo seco Ps=(Ws-Wc) Porcentaje de humedad %h=Pa*100/Ps 34 43.4155 41.7578 1.66 30.1633 11.59 14.30 30-25 39.2479 37.9689 1.28 29.1145 8.85 14.44 14.4 RESULTADOS LL = 21.5 LP = 14.4 IP = 7.1 OBSERVACIONES: 117 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES LABORATORIO CENTRAL FACULTAD DE INGENIERIA ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Cota Cota Operador: Daniela M.Cortéz A. Muestra: Suelo Natural Calculista: Daniela M.Cortéz A. Código: Profundidad: SN M1 1.5 (m) Encargado de Lab.: Fecha de ensayo: Ing. Jorge Claure 21/05/2019 % Suelo Natural: 75% %Arena: 25% LIMITES DE ATTERBERG LIMITE LIQUIDO (L.L.) Cápsula Nº Nº de golpes Suelo húmedo + cápsula (Wh) Suelo seco + cápsula (Ws) Peso de agua Pa =(Wh-Ws) Peso de cápsula (Wc) Peso suelo seco Ps=(Ws-Wc) Porcentaje de humedad %h=Pa*100/Ps 5 17 46.7300 41.0000 5.73 12.8200 28.18 20.33 CURVA DE ESCURRIMIENTO 61 24 44.5200 39.2800 5.24 12.6800 26.60 19.70 60 29 54.9300 48.0300 6.90 12.3500 35.68 19.34 y = -2.027ln(x) + 26.111 R² = 0.9944 63 37 36.0300 32.3100 3.72 12.4600 19.85 18.74 o PORCENTAJE DE HUMEDAD (%) 21.00 20.00 19.00 18.00 1 10 100 NUMERO DE GOLPES LIMITE PLÁSTICO (L.P) Cápsula Nº Suelo húmedo + cápsula (Wh) Suelo seco + cápsula (Ws) Peso de agua Pa =(Wh-Ws) Peso de cápsula (Wc) Peso suelo seco Ps=(Ws-Wc) Porcentaje de humedad %h=Pa*100/Ps 50 22.4100 21.0900 1.32 11.3400 9.75 13.54 52 23.5800 22.3000 1.28 12.9000 9.40 13.62 13.6 RESULTADOS LL = 19.6 LP = 13.6 IP = 6.0 OBSERVACIONES: 118 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES LABORATORIO CENTRAL FACULTAD DE INGENIERIA ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Cota Cota Operador: Daniela M.Cortéz A. Muestra: Suelo Natural Calculista: Daniela M.Cortéz A. Código: Profundidad: SN M1 1.5 (m) Encargado de Lab.: Fecha de ensayo: Ing. Jorge Claure 21/05/2019 % Suelo Natural: 70% %Arena: 30% LIMITES DE ATTERBERG LIMITE LIQUIDO (L.L.) Cápsula Nº Nº de golpes Suelo húmedo + cápsula (Wh) Suelo seco + cápsula (Ws) Peso de agua Pa =(Wh-Ws) Peso de cápsula (Wc) Peso suelo seco Ps=(Ws-Wc) Porcentaje de humedad %h=Pa*100/Ps 14 15 47.56 42.06 5.50 13.70 28.36 19.39 CURVA DE ESCURRIMIENTO 65 21 42.30 36.82 5.48 7.54 29.28 18.72 39k 33.00 45.95 40.56 5.39 10.44 30.12 17.90 y = -1.896ln(x) + 24.513 R² = 0.9991 o PORCENTAJE DE HUMEDAD (%) 20.00 19.00 18.00 17.00 1 10 100 NUMERO DE GOLPES LIMITE PLÁSTICO (L.P) Cápsula Nº Suelo húmedo + cápsula (Wh) Suelo seco + cápsula (Ws) Peso de agua Pa =(Wh-Ws) Peso de cápsula (Wc) Peso suelo seco Ps=(Ws-Wc) Porcentaje de humedad %h=Pa*100/Ps 35 21.6600 20.6500 1.01 12.8300 7.82 12.92 13 29.9900 28.0200 1.97 12.6500 15.37 12.82 12.9 RESULTADOS LL = 18.4 LP = 12.9 IP = 5.5 OBSERVACIONES: 119 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES LABORATORIO CENTRAL FACULTAD DE INGENIERIA ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Cota Cota Operador: Daniela M.Cortéz A. Muestra: Suelo Natural Calculista: Daniela M.Cortéz A. Código: SN M1 Encargado de Lab.: Ing. Jorge Claure Profundidad: % Suelo Natural: 1.5 (m) 60% Fecha de ensayo: %Arena: 21/05/2019 40% LIMITES DE ATTERBERG LIMITE LIQUIDO (L.L.) Cápsula Nº Nº de golpes Suelo húmedo + cápsula (Wh) Suelo seco + cápsula (Ws) Peso de agua Pa =(Wh-Ws) Peso de cápsula (Wc) Peso suelo seco Ps=(Ws-Wc) Porcentaje de humedad %h=Pa*100/Ps 22 17 49.2200 43.6300 5.59 13.0700 30.56 18.29 CURVA DE ESCURRIMIENTO 37 24 39.7500 35.6900 4.06 12.7100 22.98 17.67 2 34 47.0500 42.1000 4.95 12.8400 29.26 16.92 y = -1.983ln(x) + 23.931 R² = 0.9975 o PORCENTAJE DE HUMEDAD (%) 19.00 18.00 17.00 16.00 1 10 100 NUMERO DE GOLPES LIMITE PLÁSTICO (L.P) Cápsula Nº Suelo húmedo + cápsula (Wh) Suelo seco + cápsula (Ws) Peso de agua Pa =(Wh-Ws) Peso de cápsula (Wc) Peso suelo seco Ps=(Ws-Wc) Porcentaje de humedad %h=Pa*100/Ps 12 27.7800 26.0200 1.76 12.4000 13.62 12.92 85 28.9200 27.1100 1.81 12.4600 14.65 12.35 12.6 RESULTADOS LL = 17.5 LP = 12.6 IP = 4.9 OBSERVACIONES: 120 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES LABORATORIO CENTRAL FACULTAD DE INGENIERIA ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Cota Cota Suelo Natural SN M1 1.5 (m) 10 Operador: Calculista: Encargado de Lab.: Fecha de ensayo: 97.15% %Arena: %Suelo Natural: Daniela M.Cortéz A. Daniela M.Cortéz A. Ing. Jorge Claure 01/07/2019 2.85% ENSAYO DE COMPACTACIÓN PROCTOR MODIFICADO ASTM D1557 Método: A Molde: 4 pulg. Material a usar : 5 25 5.123 2.9795 2.143 0.943 2.273 30 390.30 367.20 23.10 135.30 231.90 9.00 2.050 2.179 Nº de capas Nº de golpes por capa Suelo húmedo + molde (kg) Peso del molde (kg) Peso del suelo húmedo (Ph)(kg) Volumen de la muestra (Vm) (dm³) Densidad suelo húmedo (Dh) Nº de cápsula Peso del suelo húmedo + cápsula Peso del suelo seco + cápsula Peso del agua (Pa) Peso de la cápsula Peso del suelo seco (Ps) Contenido de humedad (%h) Densidad suelo seco (Ds) Saturacion Lectura en (kg) Penetración Nº de aguja Area aguja (cm²) Penetración (kg/cm²) 5 25 5.250 2.9795 2.271 0.943 2.408 25 431.30 387.10 44.20 100.30 286.80 12.00 2.030 2.045 Pas. N° 4 5 25 5.076 2.9795 2.097 0.943 2.224 8 425.30 387.10 38.20 114.80 272.30 14.01 1.950 1.964 5 25 5.026 2.9795 2.046 0.943 2.170 51 548.70 493.00 55.70 133.20 359.80 15.52 1.878 1.907 R² = 1 2.15 DENSIDAD SUELO SECO (kg/dm³) Procedencia: Muestra: Código: Profundidad: IP= 2.10 2.05 2.00 1.95 1.90 1.85 1.80 1.75 7 8 9 10 11 12 8.00 13 14 15 16 CONTENIDO DE HUMEDAD (%h) H.óptima 10.70 % Densidad seca m ax: (Kg/dm 3) 2.052 OBSERVACIONES.- 121 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES LABORATORIO CENTRAL FACULTAD DE INGENIERIA ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Cota Cota Suelo Natural SN M1 1.5 (m) 9 Operador: Calculista: Encargado de Lab.: Fecha de ensayo: 95.10% %Arena: %Suelo Natural: Daniela M.Cortéz A. Daniela M.Cortéz A. Ing. Jorge Claure 01/07/2019 4.90% ENSAYO DE COMPACTACIÓN PROCTOR MODIFICADO ASTM D1557 Método: A Molde: 4 pulg. Nº de capas Nº de golpes por capa Suelo húmedo + molde (kg) Peso del molde (kg) Peso del suelo húmedo (Ph)(kg) Volumen de la muestra (Vm) (dm³) Densidad suelo húmedo (Dh) Nº de cápsula Peso del suelo húmedo + cápsula Peso del suelo seco + cápsula Peso del agua (Pa) Peso de la cápsula Peso del suelo seco (Ps) Contenido de humedad (%h) Densidad suelo seco (Ds) Saturacion Lectura en (kg) Penetración Nº de aguja Area aguja (cm²) Penetración (kg/cm²) Material a usar : 5 25 5.069 2.9795 2.090 0.943 2.216 160 474.20 445.30 28.90 130.30 315.00 9.24 2.029 2.167 5 25 5.127 2.9795 2.147 0.943 2.277 18 760.80 695.40 65.40 135.60 559.80 11.82 2.036 2.052 Pas. N° 4 5 25 5.083 2.9795 2.103 0.943 2.230 11 762.70 689.20 73.50 139.30 549.90 13.26 1.969 1.994 5 25 4.987 2.9795 2.008 0.943 2.129 12 456.30 404.70 51.60 102.80 301.90 17.09 1.818 1.852 R² = 1 2.15 DENSIDAD SUELO SECO (kg/dm³) Procedencia: Muestra: Código: Profundidad: IP= 2.10 2.05 2.00 1.95 1.90 1.85 1.80 1.75 7 8 9 10 11 12 13 8.00 14 15 16 17 18 CONTENIDO DE HUMEDAD (%h) H.óptima 10.53 % Densidad seca m ax: (Kg/dm 3) 2.06182 OBSERVACIONES.- 122 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES LABORATORIO CENTRAL FACULTAD DE INGENIERIA ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Cota Cota Suelo Natural SN M1 1.5 (m) 8 Operador: Calculista: Encargado de Lab.: Fecha de ensayo: 91.70% %Arena: %Suelo Natural: Daniela M.Cortéz A. Daniela M.Cortéz A. Ing. Jorge Claure 01/07/2019 8.30% ENSAYO DE COMPACTACIÓN PROCTOR MODIFICADO ASTM D1557 Método: A Molde: 4 pulg. Nº de capas Nº de golpes por capa Suelo húmedo + molde (kg) Peso del molde (kg) Peso del suelo húmedo (Ph)(kg) Volumen de la muestra (Vm) (dm³) Densidad suelo húmedo (Dh) Nº de cápsula Peso del suelo húmedo + cápsula Peso del suelo seco + cápsula Peso del agua (Pa) Peso de la cápsula Peso del suelo seco (Ps) Contenido de humedad (%h) Densidad suelo seco (Ds) Saturacion Lectura en (kg) Penetración Nº de aguja Area aguja (cm²) Penetración (kg/cm²) Material a usar : 5 25 5.102 2.9795 2.122 0.943 2.251 42 388.90 369.70 19.20 138.50 231.20 8.37 2.077 2.236 5 25 5.125 2.9795 2.146 0.943 2.275 14 423.50 412.30 11.20 11.20 401.10 10.00 2.085 2.157 Pas. N° 4 5 25 5.125 2.9795 2.146 0.943 2.275 14 435.40 405.20 30.20 145.20 260.00 11.71 2.037 2.080 5 25 5.063 2.9795 2.083 0.943 2.209 7 348.00 317.70 30.30 102.60 215.10 15.83 1.907 1.916 2.25 R² = 1 2.20 DENSIDAD SUELO SECO (kg/dm³) Procedencia: Muestra: Código: Profundidad: IP= 2.15 2.10 2.05 2.00 1.95 1.90 1.85 7 8 9 10 11 12 13 8.00 14 15 16 17 CONTENIDO DE HUMEDAD (%h) H.óptima 9.35 % Densidad seca m ax: (Kg/dm 3) 2.09039 OBSERVACIONES.- 123 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES LABORATORIO CENTRAL FACULTAD DE INGENIERIA ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Cota Cota Suelo Natural SN M1 1.5 (m) 8 Operador: Calculista: Encargado de Lab.: Fecha de ensayo: 91.70% %Arena: %Suelo Natural: Daniela M.Cortéz A. Daniela M.Cortéz A. Ing. Jorge Claure 01/07/2019 8.30% ENSAYO DE COMPACTACIÓN PROCTOR MODIFICADO ASTM D1557 Método: A Molde: 4 pulg. Material a usar : 5 25 5.135 2.9795 2.156 0.943 2.286 2 335.80 318.70 17.10 115.80 202.90 6.57 2.145 2.329 Nº de capas Nº de golpes por capa Suelo húmedo + molde (kg) Peso del molde (kg) Peso del suelo húmedo (Ph)(kg) Volumen de la muestra (Vm) (dm³) Densidad suelo húmedo (Dh) Nº de cápsula Peso del suelo húmedo + cápsula Peso del suelo seco + cápsula Peso del agua (Pa) Peso de la cápsula Peso del suelo seco (Ps) Contenido de humedad (%h) Densidad suelo seco (Ds) Saturacion Lectura en (kg) Penetración Nº de aguja Area aguja (cm²) Penetración (kg/cm²) 5 25 5.129 2.9795 2.150 0.943 2.280 100 359.40 332.90 26.50 104.80 228.10 8.48 2.102 2.230 Pas. N° 4 5 25 5.082 2.9795 2.103 0.943 2.230 23 300.50 300.50 0.00 102.90 197.60 11.42 2.001 2.093 5.00 2.048 y = -0.0095x 2 + 0.1456x + 1.5688 R² = 0.8802 2.40 2.35 DENSIDAD SUELO SECO (kg/dm³) Procedencia: Muestra: Código: Profundidad: IP= 2.30 2.25 2.20 2.15 2.10 2.05 2.00 1.95 1.90 1.85 0 1 2 3 4 5 6 7 8.00 8 9 10 11 12 CONTENIDO DE HUMEDAD (%h) H.óptima 6.85 % Densidad seca m ax: (Kg/dm 3) 2.14700 OBSERVACIONES.- 124 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA LABORATORIO CENTRAL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Muestra: Código: Cota Cota Suelo Natural SN Índice de Plastcidad: 10% Operador: Calculista: Encargado de Lab.: Daniela M.Cortéz A. Daniela M.Cortéz A. Ing. Jorge Claure Fecha de ensayo: 14/08/2019 RELACIÓN SOPORTE DE CALIFORNIA (CBR) ASTM D1883 DATOS DEL ENSAYO Condiciones: Muestra sumergida Masa de sobrecarga: 4540 g Ensayo de Compactación: Próctor Modificado Método de compactación: A D. RESULTADOS No. golpes por capa 10 25 56 Peso unitario seco, kN/m3 18.8 20.0 20.1 Peso unitario seco (remojado), kN/m3 18.9 20.0 20.2 Contenido de humedad, % 10.6 10.3 10.6 Contenido de humedad (remojado), % 15.4 13.5 12.4 Prueba de expanción, % 11.83 12.93 9.33 CBR, % (2,54 mm) 2.20 4.07 10.94 2,54 mm 1000 12.0 10 golpes 2,54 mm 25 golpes 900 56 golpes 10.0 800 700 600 CBR, % Presión, kPa 8.0 500 6.0 400 4.0 300 200 2.0 100 0 0.0 2.0 4.0 Penetración, mm 6.0 0.0 18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 Peso unitario seco,kN/m3 125 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA LABORATORIO CENTRAL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Muestra: Código: Cota Cota Suelo Natural SN Índice de Plastcidad: 9% Operador: Calculista: Encargado de Lab.: Daniela M.Cortéz A. Daniela M.Cortéz A. Ing. Jorge Claure Fecha de ensayo: 14/08/2019 RELACIÓN SOPORTE DE CALIFORNIA (CBR) ASTM D1883 DATOS DEL ENSAYO Condiciones: Muestra sumergida Masa de sobrecarga: 4540 g Ensayo de Compactación: Próctor Modificado Método de compactación: A D. RESULTADOS No. golpes por capa 25 56 Peso unitario seco, kN/m3 19.6 20.3 Peso unitario seco (remojado), kN/m3 19.6 20.4 Contenido de humedad, % 10.0 10.3 Contenido de humedad (remojado), % 16.0 11.5 Prueba de expanción, % 30.32 9.40 CBR, % (2,54 mm) 2.47 11.82 2,54 mm 1200 14.0 25 golpes 2,54 mm 56 golpes 12.0 1000 10.0 CBR, % Presión, kPa 800 600 8.0 6.0 400 4.0 200 2.0 0 0.0 2.0 4.0 Penetración, mm 6.0 0.0 19.4 19.6 19.8 20.0 20.2 20.4 Peso unitario seco,kN/m3 126 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA LABORATORIO CENTRAL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Muestra: Código: Cota Cota Suelo Natural SN Índice de Plastcidad: 8% Operador: Calculista: Encargado de Lab.: Daniela M.Cortéz A. Daniela M.Cortéz A. Ing. Jorge Claure Fecha de ensayo: 14/08/2019 RELACIÓN SOPORTE DE CALIFORNIA (CBR) ASTM D1883 DATOS DEL ENSAYO Condiciones: Muestra sumergida Masa de sobrecarga: 4540 g Ensayo de Compactación: Próctor Modificado Método de compactación: A D. RESULTADOS No. golpes por capa 10 25 56 Peso unitario seco, kN/m3 14.9 23.1 20.3 Peso unitario seco (remojado), kN/m3 18.4 23.0 20.2 Contenido de humedad, % 9.1 9.2 9.4 Contenido de humedad (remojado), % 17.6 14.0 14.3 Prueba de expanción, % 13.29 14.18 20.43 CBR, % (2,54 mm) 2.01 3.52 4.20 2,54 mm 500 4.5 10 golpes 2,54 mm 25 golpes 450 4.0 56 golpes 400 3.5 350 CBR, % Presión, kPa 3.0 300 250 2.5 2.0 200 1.5 150 1.0 100 0.5 50 0.0 0 0.0 2.0 4.0 Penetración, mm 6.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 Peso unitario seco,kN/m3 127 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA LABORATORIO CENTRAL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO Procedencia: Muestra: Código: Cota Cota Suelo Natural SN Índice de Plastcidad: 6% Operador: Calculista: Encargado de Lab.: Daniela M.Cortéz A. Daniela M.Cortéz A. Ing. Jorge Claure Fecha de ensayo: 14/08/2019 RELACIÓN SOPORTE DE CALIFORNIA (CBR) ASTM D1883 DATOS DEL ENSAYO Condiciones: Muestra sumergida Masa de sobrecarga: 4540 g Ensayo de Compactación: Próctor Modificado Método de compactación: A D. RESULTADOS No. golpes por capa 10 25 56 Peso unitario seco, kN/m3 18.1 20.1 20.2 Peso unitario seco (remojado), kN/m3 18.1 20.1 22.0 Contenido de humedad, % 6.9 6.5 6.7 Contenido de humedad (remojado), % 18.0 14.8 3.4 Prueba de expansión, % 12.37 25.13 17.22 CBR, % (2,54 mm) 1.65 2.20 4.18 2,54 mm 450 4.5 10 golpes 2,54 mm 25 golpes 400 4.0 350 3.5 300 3.0 250 2.5 CBR, % Presión, kPa 56 golpes 200 2.0 150 1.5 100 1.0 50 0.5 0 0.0 2.0 4.0 Penetración, mm 6.0 0.0 18.0 18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 Peso unitario seco,kN/m3 128 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA LABORATORIO CENTRAL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO DETERMINACION DE MODULO RESILIENTE DE MATERIALES GRANULARES Y SUELOS AASHTO T-307 Procedencia: Cota Cota Muestra: Suelo Natural 10% IP: Profundidad: 1.5 (m) Operador: Daniela M.Cortéz A. Calculista: Daniela M.Cortéz A. Encargado de Lab.: Ing. Jorge Claure Fecha de ensayo: 21/05/2019 3. ENSAYO Datos del especimen: D: 99.4 mm Ww: 3395.2 g H: 200.0 mm w: 9.4% 2 Area: 7760.02 mm 3 Volumen: 1552003.32 mm γs: 1.98 g/cm³ Bulk Stress Modulo resiliente σ₃ ϴ MR KPa kPa kPa 28.6 41.4 152.8 96919 14.5 41.4 138.7 113084 27.6 28.6 41.4 152.8 96959 41.4 41.9 41.4 166.1 87374 4 55.2 51.5 41.4 5 68.9 69.6 41.4 6 13.8 14.5 27.6 97.3 109887 7 27.6 28.5 27.6 111.3 94677 8 41.4 42.3 27.6 125.1 88191 Secuencia Maximo esfuerzo desviador Maximo esfuerzo desviador real N° KPa KPa 0 27.6 1 13.8 2 3 Presion de Confinamiento 9 55.2 55.8 27.6 138.6 84052 10 68.9 68.6 27.6 151.4 78190 11 13.8 14.1 13.8 55.5 84624 12 27.6 27.6 13.8 69.0 76030 13 41.4 40.5 13.8 81.9 72348 14 55.2 53.3 13.8 94.7 67977 15 68.9 66.5 13.8 107.9 65639 y = 40498x 0.1578 (kPa) Modulo de Resiliencia 40.0 65000 Bulk Stress (kPa) 129 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA LABORATORIO CENTRAL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO DETERMINACION DE MODULO RESILIENTE DE MATERIALES GRANULARES Y SUELOS AASHTO T-307 Procedencia: Cota Cota Muestra: Suelo Natural 9% IP: Profundidad: 1.5 (m) Operador: Daniela M.Cortéz A. Calculista: Daniela M.Cortéz A. Encargado de Lab.: Ing. Jorge Claure Fecha de ensayo: 21/05/2019 3. ENSAYO Datos del especimen: D: 99.4 mm Ww: 3430.8 g H: 200.0 mm w: 10.5% Secuencia Maximo esfuerzo desviador Maximo esfuerzo desviador real 2 Area: 7760.02 mm 3 Volumen: 1552003.32 mm γs: 1.98 g/cm³ Presion de Confinamiento Bulk Stress Modulo resiliente σ₃ ϴ MR N° KPa KPa KPa kPa kPa 0 27.6 29.5 41.4 153.7 118262 1 13.8 14.9 41.4 139.1 125906 2 27.6 29.6 41.4 153.8 118146 3 41.4 44.3 41.4 168.5 103403 4 55.2 59.5 41.4 183.7 93379 5 68.9 74.2 41.4 198.4 84688 6 13.8 15.2 27.6 98.0 102519 7 27.6 28.3 27.6 111.1 87373 8 41.4 41.9 27.6 124.7 80400 9 55.2 55.1 27.6 137.9 76053 10 68.9 68.3 27.6 151.1 71523 11 13.8 14.2 13.8 55.6 81091 12 27.6 27.8 13.8 69.2 78174 13 41.4 41.0 13.8 82.4 73305 14 55.2 54.5 13.8 95.9 69561 15 68.9 68.0 13.8 109.4 69620 (kPa) Modulo de Resiliencia 40.0 60000 y = 34751x0.1903 Bulk Stress (kPa) 130 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA LABORATORIO CENTRAL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO DETERMINACION DE MODULO RESILIENTE DE MATERIALES GRANULARES Y SUELOS AASHTO T-307 Procedencia: Cota Cota Muestra: Suelo Natural 8% IP: Profundidad: 1.5 (m) Operador: Daniela M.Cortéz A. Calculista: Daniela M.Cortéz A. Encargado de Lab.: Ing. Jorge Claure Fecha de ensayo: 21/05/2019 3. ENSAYO Datos del especimen: D: 99.4 mm Ww: 3477.4 g H: 200.0 mm w: 9.4% 2 Area: 7760.02 mm 3 Volumen: 1552003.32 mm γs: 2.03 g/cm³ Bulk Stress Modulo resiliente σ₃ ϴ MR KPa kPa kPa 27.2 41.4 151.4 100385 13.8 12.5 41.4 136.7 120913 27.6 27.1 41.4 151.3 100412 3 41.4 39.7 41.4 163.9 94344 4 55.2 55.4 41.4 179.6 84750 5 68.9 68.3 41.4 192.5 80056 6 13.8 13.4 27.6 96.2 105933 7 27.6 25.9 27.6 108.7 92371 8 41.4 40.6 27.6 123.4 79038 9 55.2 53.7 27.6 136.5 72100 10 68.9 69.9 27.6 152.7 68947 Secuencia Maximo esfuerzo desviador Maximo esfuerzo desviador real Presion de Confinamiento N° KPa KPa 0 27.6 1 2 11 13.8 13.0 13.8 54.4 88638 12 27.6 26.3 13.8 67.7 78470 13 41.4 40.4 13.8 81.8 69633 14 55.2 54.4 13.8 95.8 65450 15 68.9 68.1 13.8 109.5 63985 y = 60701x 0.0656 (kPa) Modulo de Resiliencia 40.0 60000 Bulk Stress (kPa) 131 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA LABORATORIO CENTRAL ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS INGENIERIA CIVIL ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO PARA SU USO EN LA SUBRASANTE DE UN PAVIMENTO RÍGIDO DETERMINACION DE MODULO RESILIENTE DE MATERIALES GRANULARES Y SUELOS AASHTO T-307 Procedencia: Cota Cota Muestra: Suelo Natural 6% IP: Profundidad: 1.5 (m) Operador: Daniela M.Cortéz A. Calculista: Daniela M.Cortéz A. Encargado de Lab.: Ing. Jorge Claure Fecha de ensayo: 30/07/2019 3. ENSAYO Datos del especimen: D: 99.4 mm Ww: 3342.6 g H: 200.0 mm w: 6.9% 2 Area: 7760.02 mm 3 Volumen: 1552003.32 mm γs: 2.01 g/cm³ Bulk Stress Modulo resiliente σ₃ ϴ MR KPa kPa kPa 28.8 41.4 153.0 93638 14.3 41.4 138.5 96798 27.6 28.4 41.4 152.6 87042 3 41.4 42.4 41.4 166.6 81393 4 55.2 56.3 41.4 180.5 80835 5 68.9 69.9 41.4 194.1 78754 6 13.8 14.2 27.6 97.0 86279 7 27.6 28.3 27.6 111.1 80715 8 41.4 42.0 27.6 124.8 78952 9 55.2 56.0 27.6 138.8 78697 10 68.9 70.2 27.6 153.0 78437 11 13.8 14.2 13.8 55.6 86914 12 27.6 28.2 13.8 69.6 81134 13 41.4 41.9 13.8 83.3 78488 14 55.2 56.0 13.8 97.4 78295 15 68.9 70.4 13.8 111.8 78777 Secuencia Maximo esfuerzo desviador Maximo esfuerzo desviador real Presion de Confinamiento N° KPa KPa 0 27.6 1 13.8 2 (kPa) Modulo de Resiliencia 40.0 75000 y = 88342x -0.016 R² = 0.0088 Bulk Stress (kPa) 132 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO ANEXO C: MANUAL DE PROCEDIMIENTOS PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS MEDIANTE MODELOS DE DESEMPEÑO DE MEPDG ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS MANUAL DE PROCEDIMIENTOS PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS MEDIANTE MODELOS DE DESEMPEÑO DE MEPDG 2019 1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 133 2. ENFOQUE DE DISEÑO MEPDG ............................................................................. 133 3. NIVELES DE ENTRADA ......................................................................................... 133 4. MANEJO DEL SOFTWARE ..................................................................................... 134 5. 4.1. Interfaz de Usuario ............................................................................................ 135 4.2. Datos iniciales del proyecto .............................................................................. 136 4.2.1. Información General ......................................................................................... 136 4.2.2. Identificación del sitio del proyecto .................................................................. 137 4.2.3. Parámetros de análisis ....................................................................................... 137 4.3. Datos de entrada ................................................................................................ 138 4.3.1. Tráfico ............................................................................................................... 138 4.3.2. Clima ................................................................................................................. 146 4.3.3. Estructura .......................................................................................................... 148 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................ 153 LISTA DE FIGURAS Figura Nº 1 Programa Design Guide 2002 ........................................................................... 134 Figura Nº 2 Interfaz del usuario ............................................................................................ 135 Figura Nº 3 Datos de entrada codificados por colores .......................................................... 136 Figura Nº 4 Valores a llenar en información General ........................................................... 136 Figura Nº 5 Identificación del sitio ...................................................................................... 137 Figura Nº 6 Parámetros de análisis ...................................................................................... 137 Figura Nº 7 Configuración Vehicular por tipo de ejes .......................................................... 138 Figura Nº 8 Clasificación de vehículos según la FHWA ...................................................... 139 Figura Nº 9 Datos de tráfico ................................................................................................. 140 Figura Nº 10 Ajuste mensual (Monthly Adjustment) ........................................................... 142 Figura Nº 11 Distribución de clase vehicular (Vehicle Class Distribution) ........................ 142 Figura Nº 12 Valores por defecto de la Distribución de clase vehicular .............................. 143 Figura Nº 13 Distribución Horaria (Hourly Distribution) .................................................... 143 Figura Nº 14 Factores de Crecimiento de tráfico (Traffic Growth Factors) ........................ 144 Figura Nº 15 Factores de distribución de carga por eje ....................................................... 145 Figura Nº 16 Entrada de datos Generales............................................................................. 145 Figura Nº 17 Entrada de datos del clima .............................................................................. 146 Figura Nº 18 Entrada de datos de la estructura ..................................................................... 148 Figura Nº 19 Introducción de datos pavimento Rígido ......................................................... 149 Figura Nº 20 Datos de Propiedades de Resistencia capa Base – Subrasante, ....................... 150 Figura Nº 21 Datos Capa Base – Subrasante ....................................................................... 151 Figura Nº 22 Características de diseño del Pavimento ........................................................ 152 Figura Nº 23 Drenaje y propiedades de superficie ................................................................ 152 Figura Nº 24 Ejecución del proyecto .................................................................................... 153 LISTA DE TABLAS Tabla 1 Niveles de entrada de datos ....................................................................................... 134 Tabla 2 Configuración Vehicular Boliviana ......................................................................... 140 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO MANUAL DE PROCEDIMIENTOS PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS MEDIANTE MODELOS DE DESEMPEÑO DE MEPDG 1. INTRODUCCIÓN Este documento proporciona una guía para utilizar el software DESIG GUIDE 2002, que se basa en el método de diseño mecanístico-empírico de diseño de pavimentos (MPEDG). 2. ENFOQUE DE DISEÑO MEPDG El método considera el diseño de estructuras de pavimentos nuevos y rehabilitados basado en principios mecanicistas con aportes empíricos. El software permite calcular las tensiones y deformaciones en la estructura, bajo condiciones de tránsito, clima y propiedades de los materiales. Los criterios de diseño se basan en la confiabilidad y las condiciones deseadas en el horizonte de evaluación. La metodología MEPDG considera niveles jerárquicos de las variables y parámetros de entrada, a partir de la fuente de información y los errores asociados a la obtención de esta, para posteriormente calcular el daño incremental del pavimento, a través de indicadores de desempeño. El proceso de diseño es iterativo, se selecciona un diseño de prueba y se analiza el cumplimiento de los criterios de confiabilidad, se modifica el diseño hasta que este cumpla con los requerimientos especificados. (Cofré, 2013) 3. NIVELES DE ENTRADA El método MEPDG clasifica los niveles de entrada de datos en tres, según dominio y precisión de la información. La Tabla 1 detalla los niveles de entrada para la información de clima, tránsito y parámetros de diseño. 133 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Tabla 1 Niveles de entrada de datos Nivel de entrada de datos Nivel 1 Datos climáticos y de tránsito Datos estructurales Se generan bases de datos con mediciones reales y actuales del lugar del proyecto. Los datos se generan a través de mediciones de equipos y ensayos normados. Los datos se obtienen a través de correlaciones entre variables. Se utilizan los valores típicos del lugar del proyecto o aquellos incorporados por defecto. Nivel 2 Se desarrollan bases de datos a partir de registros zonales en el tiempo. Nivel 3 La base de datos climática se calcula internamente mediante la interpolación geográfica de dos estaciones cercanas. La base de datos de tránsito se estima a través de valores por defecto. Fuente: (Cofré, 2013) 4. MANEJO DEL SOFTWARE El programa es el que se muestra en la Figura Nº 1 Figura Nº 1 Programa Design Guide 2002 Fuente: Elaboración propia 134 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 4.1.Interfaz de Usuario Para empezar con el programa, abrir nuevo proyecto: Figura Nº2 Creación de un nuevo proyecto El programa solo usa el sistema inglés en las unidades Fuente: Elaboración propia Figura Nº 2 Interfaz del usuario Información General Estado y Resumen Vista de Resultados y Salida Datos de Entrada: -Tráfico - Clima - Estructura Ejecutar Análisis Fuente: Elaboración propia 135 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº 3 Datos de entrada codificados por colores VERDE: Indíca que los datos de entrada están completos y listos para ser ejecutados AMARILLO: Indíca que los datos de entrada no han sido revisados y se usarán los calores por defecto. ROJO: Indíca que los datos de entrada no han sido introducidos, y no se podrá ejecutar. Fuente: Elaboración Propia 4.2.Datos iniciales del proyecto 4.2.1. Información General Figura Nº 4 Valores a llenar en información General Datos de periodo de diseño y fechas de las actividades de la conformación de la estructura de pavimento. Tipo de diseño. Fuente: Elaboración Propia 136 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 4.2.2. Identificación del sitio del proyecto Figura Nº 5 Identificación del sitio Descripción del Proyecto Formato de las progresivas, inicio y final de las mismas; dirección del trafico. Fuente: Elaboración Propia 4.2.3. Parámetros de análisis Figura Nº 6 Parámetros de análisis Valor inicial del IRI en pulgadas/millas Valores del límite y la confiabilidad de: -valor final de IRI, -Porcentaje de losas fisuradas transversalmente, -promedio de fallas conjunta. Fuente: Elaboración Propia 137 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 4.3.Datos de entrada 4.3.1. Tráfico Para utilizar el programa, es necesario clasificar a los vehículos en Bolivia según la FHWA (de la clase 4 a la 13) para poder introducir los parámetros de tráfico. Figura Nº 7 Configuración Vehicular por tipo de ejes Fuente: Configuración Vehicular - ABC (Arteaga, Alex.) 138 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº 8 Clasificación de vehículos según la FHWA Fuente: Caracterización del tránsito de vehículos pesados aplicando la metodología MEPDG AASHTO 2008; aplicación en pavimento de concreto hidráulico-Lima (Cahuana, 2016) 139 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Tabla 2 Configuración Vehicular Boliviana Clasificación según FHWA (EEUU) Clase 1 Descripción Motocicletas 2 Vehículo para pasajeros 3 Camión simple, dos ejes, cuatro llantas Clasificación Boliviana Código 12 1 2 Descripción Otros vehículos Automóviles y vagonetas Camionetas (hasta 2Tn) 3 Minibuses (hasta 15 pasajeros) MB 4 B2 Buses B3 5 6 7 Camión simple, dos ejes, seis llantas Camión simple, tres ejes Camión simple, cuatro o más ejes 8 Camión remolque simple, cuatro o menos ejes 9 Camión remolque simple, cinco ejes 10 11 Camión remolque simple, seis o más ejes Camión remolque múltiple, cinco o menos ejes 12 Camión remolque múltiple, seis ejes 13 Camión remolque múltiple,siete o más ejes C2m C2 C3 Microbuses (hasta 21 pasajeros de 2 ejes) Buses medianos (hasta 35 pasajeros de 2 ejes) Buses Grandes (más de 35 pasajeros de 3 ejes Camiones Medianos (de 2.5 a 10 t de 2 ejes) Camiones Grandes( más de 10 t de 2 ejes) Camiones Grandes( más de 10 t de 3 ejes) CSR Camiones semirremolque CR Camiones Remolque Fuente: Elaboración Propia Figura Nº 9 Datos de tráfico 140 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO - Número de carriles en la dirección de diseño-Porcentaje de camiones en dirección de diseño. -Porcentaje de camiones en el carril de diseño. -Velocidad de operación. TPDA de dos vías Porcentaje de vehículos pesados Fuente: Elaboración Propia El ajuste de volumen de tráfico (Traffic Volume Adjusment) tiene las siguientes pestañas: Figura Nº 10, Figura Nº 11, Figura N°12, Figura Nº 13, Figura Nº 14, Figura N°15. 141 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº 10 Ajuste mensual (Monthly Adjustment) Valores por defecto Cuando se tiene especificado la distribución del tráfico. Distribución del tráfico a través de los meses del año para distintas clases vehiculares Fuente: Elaboración Propia Figura Nº 11 Distribución de clase vehicular (Vehicle Class Distribution) Distribución Específica Valores por defecto de la distribución, depende de la categoría general como se muestra en la 142 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Fuente: Elaboración Propia Figura Nº 12 Valores por defecto de la Distribución de clase vehicular Fuente: Elaboración Propia Figura Nº 13 Distribución Horaria (Hourly Distribution) 143 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Distribución horaria del tráfico de camiones por inicio de período, llevados a cado 24 horas por varios días Verifica que la suma sea 100% Fuente: Elaboración Propia Figura Nº 14 Factores de Crecimiento de tráfico (Traffic Growth Factors) Función de crecimiento predeterminada crecimiento específico del tráfico según la clase de vehículo Índice de crecimiento predeterminada Ver la gráfica de crecimiento en una hoja Excel. Fuente: Elaboración Propia 144 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº 15 Factores de distribución de carga por eje Tipo de eje Valores predeterminados Ver distribución o distribución acumulativa Fuente: Elaboración Propia Figura Nº 16 Entrada de datos Generales - Ubicación media de la rueda (desde la marca del carril) [in] - Derivación estándar de tráfico errante [in] -Ancho del carril de diseño [ft] Número de ejes por vehículo 145 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO -Ancho promedio del eje (borde a borde) -Espacio entre llantas Configuración del eje: -Presión de llanta -Espacio entre ejes Distancia entre ejes: -Espacio medio entre ejes (corto, medio, largo) -Porcentaje de camiones Fuente: Elaboración Propia 4.3.2. Clima Figura Nº 17 Entrada de datos del clima 146 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Para la entrada de datos del clima, se usará un modelo climático del programa, que tenga las características similares al lugar del proyecto en análisis. Importar archivo de datos de clima generada anteriormente para un determinado sitio de análisis. Datos climáticos para una estación meteorológica específica Profundidad del nivel freático Al seleccionar la estación el programa crea un archivo llamado climate en el directorio donde está el proyecto Fuente: Elaboración Propia 147 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO 4.3.3. Estructura Figura Nº 18 Entrada de datos de la estructura Seleccionar: -Tipo de material -material Para la capa de Subrasante se debe elegir esta opción Fuente: Elaboración Propia Se realiza el mismo procedimiento para las capas necesarias, una vez introducidas las capas se procede a editar cada capa individualmente, seleccionando la capa y haciendo Click en Edit. . 148 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº 19 Introducción de datos pavimento Rígido -Espesor de la capa -Peso unitario -Coeficiente de Poisson Propiedades térmicas Introducir valor del Esfuerzo de ruptura a los 28 días. Definir tipo de cemento, cantidad, relación agua/cemento, tipo de agregado y la contr Fuente: Elaboración Propia 149 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº 20 Datos de Propiedades de Resistencia capa Base – Subrasante, Fuente: Elaboración Propia Para la introducción de datos, elegir el tipo de nivel de entrada, según lo elegido se procederá a introducir los datos de relación de Poisson, coeficiente de empuje lateral, y el módulo de resilencia. 150 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº 21 Datos Capa Base – Subrasante Calcular parámetros derivados Fuente: Elaboración Propia Introducir resultados de granulometría: porcentajes que pasan tamiz #200 y tamiz # 4, índice de plasticidad (IP), luego se procede a calcular los parámetros derivados. 151 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº 22 Características de diseño del Pavimento Diseño de Juntas: -Espaciamiento de Juntas. -Tipo de sellador. -Juntas transversales Soporte de borde. -Arriostrado de losa o atado -Losa más ancha Propiedades de la base: Transferencia de carga garantizado o no. Fuente: Elaboración Propia Figura Nº 23 Drenaje y propiedades de superficie Capacidad de absorción de la superficie Parámetros de drenaje: -Infiltración -Longitud de camino de drenaje -Pendiente transversal del pavimento Fuente: Elaboración Propia 152 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO Figura Nº 24 Ejecución del proyecto Introducción correcta de todos los datos Analizar y ejecutar Fuente: Elaboración Propia 5. BIBLIOGRAFÍA Arteaga, A. (2008). Configuracion Vehicular. Recuperado de Scribd website: https://es.scribd.com/doc/103638970/Conofiguracion-Vehicular-AdministradoraBoliviana-de-Carreteras Cahuana, E. (2016). CARACTERIZACIÓN DEL TRÁNSITO DE VEHÍCULOS PESADOS APLICANDO LA METODOLOGÍA MEPDGAASHTO 2008; APLICACIÓN EN PAVIMENTO DE CONCRETO HIDRÁULICO-LIMA. Universidad Nacional de Ingeniería, Lima - Perú. Cofré, R. K. (2013). Análisis de modelos de desempeño de MEPDG para el diseño de pavimentos rígidos en la Región del Bío-Bío. Recuperado de http://repobib.ubiobio.cl/jspui/handle/123456789/2311 153 ANÁLISIS DE LA VARIABILIDAD EN EL MÓDULO RESILIENTE, MEJORANDO LA PLASTICIDAD DE UN SUELO ARCILLOSO ANEXO D: MANUAL DE PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINACIÓN DEL MÓDULO RESILIENTE CON EL EQUIPO TRIAXIAL DINÁMICO ADMINISTRADORA BOLIVIANA DE CARRETERAS MANUAL DE PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINACIÓN DEL MÓDULO RESILIENTE CON EL EQUIPO TRIAXIAL DINÁMICO Autor: Cortéz Aguirre Daniela Michel 2019 1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 154 2. ENSAYO MÓDULO RESILIENTE .......................................................................... 154 3. OBJETIVOS ............................................................................................................... 155 4. DETERMINACIÓN DEL MÓDULO RESILIENTE EN LABORATORIO ............ 155 5. EQUIPO ...................................................................................................................... 159 5.1. Componentes ..................................................................................................... 161 6. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA PARA EL ENSAYO ..................................... 170 7. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO ............................................................................ 170 7.1.1. Preparación de la celda triaxial ......................................................................... 170 7.2. Manejo del Software ......................................................................................... 172 8. CÁLCULOS ............................................................................................................... 180 9. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................ 182 LISTA DE FIGURAS Figura Nº 1 Definición de los esfuerzos aplicados por el método de ensayo. ...................... 156 Figura Nº 2 Estado de esfuerzos del módulo resiliente. ........................................................ 157 Figura Nº 3 Unidad de regulación de Presión. ....................................................................... 160 Figura Nº 4 Equipo triaxial dinámico. ................................................................................... 161 Figura Nº 5 Diagrama de los componentes del sistema. ....................................................... 162 Figura Nº 6 Celda triaxial. ...................................................................................................... 163 Figura Nº 7 Diagrama en planta de la base de la celda triaxial. ......................................... 164 Figura Nº 8 Transductores de desplazamiento LVDT´s (Linear Variable Differential Transformers). .......................................................................................................................... 165 Figura Nº 9 Detalle de la Unidad de regulación de presión. ................................................. 165 Figura Nº 10 Detalle de la parte superior de la celda triaxial. .............................................. 166 Figura Nº 11 Controlador Dinámico Compacto. .................................................................. 167 Figura Nº 12 Detalle de la entrada de aire desde la compresora a la unidad de regulación de presión. .................................................................................................................................. 168 Figura Nº 13 Accesorios........................................................................................................... 169 Figura Nº 14 Probeta lista para ser puesta a la cámara triaxial. ........................................ 171 Figura Nº 15 Cámara triaxial ensamblada. ........................................................................... 172 Figura Nº 16 Ubicación del program RM. ............................................................................. 173 Figura Nº 17 Manual Control. ................................................................................................ 173 Figura Nº 18 Real-Time Display. ............................................................................................. 174 Figura Nº 19 Crear ensayo. ..................................................................................................... 175 Figura Nº 20 Elegir tipo de suelo. ........................................................................................... 175 Figura Nº 21 Ingresar datos de la probeta............................................................................. 176 Figura Nº 22 Modificar condiciones de ensayo. .................................................................... 177 Figura Nº 23 Onda Haversiana. .............................................................................................. 177 Figura Nº 24 Error de Amplitud. ........................................................................................... 178 Figura Nº 25 Unload Test. ....................................................................................................... 178 Figura Nº 26 Gráfico Mr Vs Bulk Stress. .............................................................................. 178 LISTA DE TABLAS Tabla N°1 Secuencias de prueba para suelos de Subrasante. ..................................................... 159 Tabla N°2 Secuencias de prueba para suelos de Subbase/base. ................................................. 159 Tabla N°3 Tabla de resultados módulo resiliente. ...................................................................... 181 MANUAL DE PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINACIÓN DEL MÓDULO RESILIENTE CON EL EQUIPO TRIAXIAL DINÁMICO 6. INTRODUCCIÓN Con el avance de la tecnología se están implementando las nuevas metodologías de diseño mecánico empírico, las cuales incorporan el conocimiento actual del comportamiento de los materiales bajo condiciones de pruebas representativas. Una prueba representativa es la determinación del MÓDULO RESILIENTE, que recrea de forma más real el estado de esfuerzos y de deformaciones al que se ve sometido el suelo. Para la determinación de esta propiedad se requiere de ensayos triaxiales cíclicos los cuales son de compleja realización. Es de gran importancia entender el funcionamiento del equipo para obtener resultados adecuados. En este sentido, el presente documento tiene por objetivo servir como manual de uso durante la realización del ensayo Módulo Resiliente con el equipo triaxial dinámico en el Laboratorio Central ABC. 7. ENSAYO MÓDULO RESILIENTE El ensayo consiste en confinar una muestra de material tratado o no, en una celda Triaxial sometida a diferentes presiones de confinamiento, para simular lo que le sucede a una porción de suelo a una determinada profundidad. También esta muestra es sometida a un número de pulsos de carga/descarga de dirección, magnitud y frecuencia determinadas simulando el paso de los vehículos, que producen deformaciones en el suelo. 154 8. OBJETIVOS El presente documento pretende implementar una metodología de realización del ensayo para determinación del Mr de materiales de capa base, subbase y subrasante aplicados en la Red Vial Fundamental utilizando el equipo triaxial dinámico DYNATRIAX EmS Controls de propiedad del Laboratorio Central de la Administradora Boliviana de Carreteras. 9. DETERMINACIÓN DEL MÓDULO RESILIENTE EN LABORATORIO La determinación del módulo resiliente se logra a través de pruebas de laboratorio. Este procedimiento comúnmente usado para los ensayos de laboratorio de suelo y materiales agregados es normalizado por la AASHTO, bajo la designación AASHTO T307, Standard Method of Test for Determining the Resilient Modulus of Soils and Aggregate Materials. El material se somete a una serie de pulsos de carga generados por el paso de los vehículos en el pavimento. El ensayo triaxial se usa para simular estas condiciones que se presentan en el pavimento. En este ensayo, la probeta se somete a una serie de cargas axiales por un periodo muy corto de tiempo y entre cargas se da un periodo de reposo, esto con el fin de simular el paso del tránsito por el pavimento. Al mismo tiempo se aplica una presión de confinamiento constante, que simula los esfuerzos laterales causados por el peso del material que está por encima, más las cargas de tránsito. En el laboratorio esta presión de confinamiento se simula a través de aire comprimido dentro de la cámara triaxial. Durante la prueba, se aplica una tensión axial durante 0,1 segundos, seguido de un período de descanso 0.9 segundos. El periodo de carga y período de descanso juntos constituyen 1 ciclo de carga. La carga axial es del tipo haversiana. En la Figura 1 se muestra cómo se definen los 155 esfuerzos máximo, cíclico y de contacto para el ensayo. Los esfuerzos se calculan con el área transversal del espécimen. Nota: El procedimiento T307 requiere partículas de agregado del tamaño de más del 25 por ciento del diámetro del molde (generalmente 6 pulgadas). Sobrepasar ese tamaño de agregado puede influir en los resultados de las pruebas obtenidas. Figura Nº 1 Definición de los esfuerzos aplicados por el método de ensayo. Fuente: Resilient Modulus: What, Why and How? Un importante aspecto que se denota en el procedimiento de ensayo son las diferentes secuencias de prueba especificados para materiales de base/sub-base y subrasante. En consecuencia los especímenes son ensayados a diferentes presiones de confinamiento y cargas axiales aplicadas. Debido a los distintos estados de esfuerzo que experimentan en campo con la carga de las ruedas. Una ilustración del estado de esfuerzos del módulo resiliente se puede observar en la Figura 2. 156 Los materiales de grano grueso bajo mayor esfuerzo aplicado, tienen menor deformación y por lo tanto una mayor rigidez o módulo resiliente. Mientras que los suelos de grano fino o de subrasante se conocen como “blandos”, lo que significa que con el aumento de esfuerzo, aumenta la deformación y la rigidez o módulo disminuye. Figura Nº 2 Estado de esfuerzos del módulo resiliente. Fuente: Resilient Modulus: What, Why and How? Antes de las secuencias reales de prueba del módulo resiliente, las muestras preparadas se ensayan como se muestra para la secuencia “0” en la Tabla 1. La AASHTO T-307 denomina esta fase como etapa de acondicionamiento que es para la “Eliminación de los efectos del intervalo entre la compactación y la carga y la eliminación de la carga inicial frente a la recarga”. Además, esta carga sirve para minimizar el impacto de un contacto inapropiado entre los extremos de muestra con la tapa de la muestra y el plato de la base. Después del acondicionamiento, en la norma se 157 especifica 15 secuencias de prueba para materiales de sub-rasante y subbase / base que se muestran en la Tabla 1 y 2. En cada secuencia existen 100 ciclos de carga/descarga. Los suelos de la subrasante se ensayan a tres niveles decrecientes de presiones de confinamiento (6, 4 y 2 psi) en 5 niveles crecientes de tensión axial (2, 4, 6, 8, y 10 psi) dentro de cada nivel de presión de confinamiento. Los materiales granulares se ensayan a cinco niveles de confinamiento (3, 5, 10, 15, y 20 psi) con diferentes niveles de tensión axial para cada nivel de confinamiento tal como se muestra en la Tabla 2. El Estado de tensiones (Bulk stress θ) se calcula para cada secuencia de prueba y representa el estado de esfuerzos totales. El módulo resiliente se calcula entonces en cada una de las secuencias de prueba, la AASHTO recomiendo promediar los últimos 5 ciclos de cada secuencia, dando un total 15 resultados. La norma recomienda analizar los últimos 5 ciclos de cada secuencia. Una vez procesados los datos se obtiene una nube de puntos que representan la relación de Mr. vs Estado de tensiones (θ), del cual se deberá ajustar a un modelo matemático capaz de representar los valores obtenidos en laboratorio. El especialista en obra deberá decidir qué modelo matemático deberá usar para ajustar la nube de puntos. De igual manera deberá hacer uso de programas en base a elementos finitos o multicapa para determinar el estado de esfuerzos en un determinado punto y así realizar una mejor simulación del comportamiento no lineal de los materiales granulares y permitir una predicción más realista del comportamiento esfuerzo-deformación de estos materiales dentro del pavimento. 158 Tabla N°1 Secuencias de prueba para suelos de Subrasante. Tabla N°2 Secuencias de prueba para suelos de Subbase/base. Fuente: AASHTO T-307 Standard Method of Test for Determining the Resilient Modulus of Soils and Aggregate Materials. 10. EQUIPO El equipo básicamente se compone de 3 unidades: 159 a) Unidad de registro de información. Su función es la recopilación de información de presión, carga y deformaciones a través de LVDTs y sensores en el equipo. Desde el software se tiene el control total de la compresión triaxial, el sistema de presión y el actuador, lo que permite realizar la prueba con mínima intervención del operador. Siguiendo los protocolos de la norma AASHTO T307. b) Unidad de regulación de presión. Está compuesta por una válvula que permite el ingreso del aire proveniente de la compresora, un manómetro con un regulador de presiones y otra válvula que permite y controla la presión de aire que ingresa a la cámara triaxial. Figura Nº 3 Unidad de regulación de Presión. Fuente: Elaboración propia 160 c) Unidad de aplicación de carga. Las deformaciones verticales son medidas por 3 LVDT´s (Linear Variable Differential Transformers), elementos que se encargan de transmitir la magnitud de dichas deformaciones a la unidad de registro y control. Los diferentes intervalos en los que se mide la deformación simulan la velocidad de circulación de un vehículo sobre la estructura de un pavimento. La carga que se aplica a la muestra de suelo compactado es medida por una celda de carga. La frecuencia de la carga es gobernada por un controlador de tiempo. Figura Nº 4 Equipo triaxial dinámico. Fuente: Elaboración propia 10.1. Componentes Para poder realizar el ensayo de manera adecuada y óptima es necesario conocer cada componente del equipo. Se muestra los detalles de los componentes del sistema a continuación. 161 Figura Nº 5 Diagrama de los componentes del sistema. Fuente: Elaboración propia 162 Figura Nº 6 Celda triaxial. (a) Esquema de una celda triaxial (b) Fotografía de una celda triaxial 163 Fuente: Complementación, ajuste y calibración para la puesta en marcha del equipo triaxial cíclico con succión controlada para granulares en la universidad de los andes Figura Nº 7 Diagrama en planta de la base de la celda triaxial. Fuente: DYNATRIAX Cyclic Triaxial Hardware Setup 164 Para el ensayo de módulo resiliente solo se usa la válvula de inyección de presión. Las demás deberán estar cerradas. Figura Nº 8 Transductores de desplazamiento LVDT´s (Linear Variable Differential Transformers). Fuente: Elaboración propia Figura Nº 9 Detalle de la Unidad de regulación de presión. 165 Fuente: Elaboración propia Figura Nº 10 Detalle de la parte superior de la celda triaxial. 166 Fuente: Elaboración propia Figura Nº 11 Controlador Dinámico Compacto. Fuente: DYNATRIAX Cyclic Triaxial Hardware Setup 167 Figura Nº 12 Detalle de la entrada de aire desde la compresora a la unidad de regulación de presión. Fuente: DYNATRIAX Cyclic Triaxial Hardware Setup 168 Figura Nº 13 Accesorios. Fuente: Elaboración propia La membrana de látex es empleada para separar las presiones internas y externas de la muestra de suelo, creando así un sistema interno y otro externo. En caso de que esta membrana presentara algún orificio, ésta debe ser reemplazada, la realización del ensayo será imposibilitada pues las presiones internas y externas tratarán de llegar a equilibrio en todo momento dando resultados falsos. Las dos piedras porosas de baja presión son requeridas para la realización de ensayos convencionales. Éstas tienen por función la protección de la muestra. Los O´Rings son empleados para un adecuado ensamblado de la muestra dentro de la celda. Estos accesorios junto con la membrana de látex aseguran una independencia entre las presiones interna y externa de la muestra. El collarín de acero sirve de porta O´Rings para sujetarlos con la membrana. La matriz de vacío es empleada para el colocado de la muestra dentro de la membrana de látex. Cuenta con un tubo de succión que se debe aspirar para colocar la membrana al vacío. 169 11. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA PARA EL ENSAYO De acuerdo a la norma AASHTO T-307 las muestras deben ser cilíndricas, la altura media debe estar entre 2 veces el diámetro. El tamaño máximo de partículas debe ser menor al 25 por ciento del diámetro del molde (generalmente 6 pulgadas). Sobrepasar ese tamaño de agregado puede influir en los resultados de las pruebas obtenidas. En el laboratorio se tiene el molde de altura de 20 cm. y diámetro de 10cm. Las muestras deben ser preparadas evitando pérdidas de humedad. Para el caso de muestras inalteradas se debe asegurar la uniformidad de en cuanto a contenido de humedad y densidad, además determinar si el valor de densidad es el especificado. La masa, contenido de humedad, densidad, dimensiones deben ir en el reporte del ensayo. Si son suelos conformados en laboratorio determinar que método de compactación usar para obtener una densidad uniforme a lo largo de la probeta y al menos alcanzar el 95% de la densidad óptima, si en caso se trabajaran con datos del ensayo de proctor. Generalmente se usa el método de compactación por impacto, que consiste en 5 capas, 25 golpes por capa con el martillo del Proctor Modificado. 12. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO 12.1.1. Preparación de la celda triaxial • Se coloca el papel filtro y encima las piedras porosas en ambas bases de la muestra cilíndrica, sobre la base de la celda triaxial. • Se reviste la muestra con la membrana látex con ayuda del matriz de vacío, éste cuenta con un tubo de succión para colocar la membrana al vacío, se debe succionar mientras se coloca la membrana. 170 • Se colocan los o’rings en su posición en la base de la cámara y se retira el cilindro de apoyo. • Se colocan los o´rings superiores con la ayuda del collarín de acero. • Colocar la muestra sobre la base de la cámara triaxial y se conecta el tubo a la válvula correspondiente. Debe quedar así: Figura Nº 14 Probeta lista para ser puesta a la cámara triaxial. Fuente: Elaboración propia • Una vez que la muestra está firme sobre la base se coloca la celda triaxial en su posición final y se ajustan los tornillos de seguridad. • Para hacer contacto del pistón con la probeta, se debe abrir la válvula de vacío que cuenta con un tubo de succión, succionar mientras se baja el pistón y cerrar una vez que se haya logrado el contacto. • Llevar la cámara armada al paral de la celda triaxial. 171 Figura Nº 15 Cámara triaxial ensamblada. Fuente: Elaboración propia • Se conecta el tubo de entrada de aire a la cámara en la válvula de inyector de presión. Para el ensayo de módulo resiliente no serán necesarias las otras conexiones en esta base, pero se debe verificar que todas las válvulas estén cerradas. 12.2. • Manejo del Software Prender el Controlador Dinámico Compacto, esperar que los LED’s se prendan de color verde. Para iniciar el programa correspondiente. • Iniciar el programa Triax_RM (Módulo Resiliente). Ubicado en el escritorio 172 Figura Nº 16 Ubicación del program RM. Fuente: Elaboración propia • Entrar a “Manual Control”, quitar la abrazadera de montaje y en la casilla Movement escribir el desplazamiento del pistón deseado a bajar o subir entre 1 y 0.1 mm, para luego hacer click en Down. Esto se realiza para hacer contacto el actuador con la cámara triaxial. Tener cuidado en el momento de contacto, la carga que está ejerciendo el pistón debe ser lo mínima posible, cercana a cero, pero debe asegurarse que existe contacto. Figura Nº 17 Manual Control. 173 Fuente: Elaboración propia • Luego se arma los transductores de desplazamiento con ayuda de la llave allen, verificar que éstos se encuentren en contacto con la cámara en la casilla Displacement 1 y 2, la lectura en el programa debe ser mayor que cero (nunca negativo). • Abrir la válvula de entrada de aire del compresor y abrir la válvula de entrada de aire hacia la cámara. • Poner a cero la carga del pistón y la presión de confinamiento en el programa haciendo click en los botones verdes. En la opción Real-Time Display. Figura Nº 18 Real-Time Display. Fuente: Elaboración propia 174 • En la página Main, en la parte inferior izquierda esta Test managment y Test Name se escribe el nombre de la prueba y se hace click en New Test, de esta manera todos los datos serán guardados en la carpeta creada a partir del nombre dado. Figura Nº 19 Crear ensayo. Fuente: Elaboración propia • En el programa en la casilla de Type se elige la opción de acuerdo al tipo de muestra, si es subrasante o capa base/subbase, ya que son diferentes las condiciones para cada tipo. Figura Nº 20 Elegir tipo de suelo. 175 Fuente: Elaboración propia • Luego ir a la página de Specimen Setup. Ingresar los datos de humedad, longitud, diámetro y peso de probeta. Figura Nº 21 Ingresar datos de la probeta. Fuente: Elaboración propia 176 • Volver a la pestaña de Main y modificar los siguientes las condiciones de ensayo Figura Nº 22 Modificar condiciones de ensayo. Fuente: Elaboración propia • Tickear las casillas de Automatic sequences y Shear Stage. • Se hace click en Start New Test y se verifica durante todo el proceso las diferentes graficas de presión, carga y deformación. Se debe verificar que la onda debe seguir un patrón tipo Haversine (1-cosφ)/2 como se muestra en la siguiente figura: Figura Nº 23 Onda Haversiana. 177 Fuente: Elaboración propia. • Ingresar al menú Tunning para verificar el margen de error que se está obteniendo en las lecturas. Si hubiese errores considerables en las lecturas, hay opciones en el parte inferior de esta pantalla donde dice Proportional Gain, Integral Gain y Derivative Gain, se deben ajustar estos valores hasta lograr que el error de amplitud (%) sea lo menor posible. Como se muestra en la figura siguiente: Figura Nº 24 Error de Amplitud. 178 Fuente: Elaboración propia. • Se deben verificar periódicamente estos ajustes durante todo el ensayo ya que son varias secuencias con diferentes presiones de cámara y aplicaciones de carga. • Si se ha llegado al final de la prueba y la deformación en la muestra es menor al 5% se procede a realizar un ensayo de corte rápido, que consiste en aplicar una presión de confinamiento de 27.6 kPa y una carga tal que la deformación sea de 1% por minuto mediante la función de carga controlada (monotonic shear) que viene en el programa. Que al tickear en Shear Stage ya se programó anteriormente. Se realiza este procedimiento hasta alcanzar el 5% de deformación en la muestra a menos que la carga disminuya a medida que la deformación aumente (falla de la muestra) o se alcance la capacidad de carga de la celda. 179 Las lecturas las guarda en archivos .txt, con los datos de condiciones de presión, carga y repeticiones de la carga. • Una vez concluido el ensayo se puede revisar las tablas resumen con los promedios de los últimos cinco ciclos de cada etapa del valor del módulo resiliente. Y se hace click en Unload Test. Figura Nº 25 Unload Test. Fuente: Elaboración propia • Reducir la presión de la celda hasta cero con el control manual y se cierran las válvulas, se libera el aire de la cámara triaxial abriendo su válvula de escape superior y se retira la misma. • Retirar la muestra y limpiar todo. 13. CÁLCULOS Copiar los archivos que tienen el nombre “Cyclic Shear_peak“con número par, los resultados del formato .txt a la hoja de cálculo Módulo Resiliente. La hoja Excel ya está programada para promediar los últimos 5 resultados de cada secuencia y dando como resultado la siguiente tabla resumen de las 15 secuencias: 180 Tabla N°3 Tabla de resultados módulo resiliente. TABLA RESUMEN Secuencia Ciclos N° Maxima carga axial Carga de contacto Carga ciclica Maximo esfuerzo desviador Esfuerzo de contacto Esfuerzo ciclico Deformacion Deformacion promedio promedio transductores transductores 1-2 1-2 Modulo resiliente Deformacion Deformacion total total permanente permanente N° N N N KPa KPa KPa mm % MPa mm % 496 238.2 4.4 497 238.5 3.8 498 237.9 4.4 499 237.9 3.5 499 237.9 4.0 Promedio= 238 4.0 95 118.1 -3.8 96 118.3 -3.6 97 118.7 -4.0 98 117.4 -3.1 232 233 232 233 232 232 121 121 122 120 121 121 30.5 30.5 30.4 30.4 30.4 30.46 15.1 15.1 15.2 15.0 15.1 15.11 0.6 0.5 0.6 0.4 0.5 0.52 -0.5 -0.5 -0.5 -0.4 -0.6 -0.48 29.9 30.0 29.9 30.0 29.9 29.9 15.6 15.6 15.7 15.4 15.6 15.6 0.0315 0.0318 0.0315 0.0316 0.0317 0.0316 0.0112 0.0111 0.0111 0.0112 0.0112 0.0112 0.0158 0.0159 0.0158 0.0158 0.0158 0.016 0.0056 0.0056 0.0056 0.0056 0.0056 0.006 189.72 189.01 189.45 189.61 188.94 189.3 277.29 280.72 282.61 276.48 280.44 279.5 0.3390 0.3388 0.3391 0.3391 0.3391 0.3390 0.3405 0.3407 0.3407 0.3405 0.3405 0.3406 0.1695 0.1694 0.1696 0.1695 0.1695 0.1695 0.1703 0.1703 0.1704 0.1703 0.1703 0.1703 0 1 99 117.9 -4.4 Promedio= 118.1 -3.8 σ₃ ϴ Fuente: Cálculo módulo resiliente. Posteriormente hace cálculo del Módulo Resiliente para cada presión de confinamiento y cada estado de esfuerzos (Bulk Stress θ). Graficando la nube de puntos Módulo de Resilencia Vs Bulk Stress, agrupando por colores la misma presión de confinamiento. Como se observa en el siguiente gráfico: Figura Nº 26 Gráfico Mr Vs Bulk Stress. y = 60701x 0.0656 R² = 0.0163 (kPa) Modulo de Resiliencia 40.0 60000 Bulk Stress (kPa) Fuente: Elaboración propia 181 El cual se deberá ajustar un modelo matemático capaz de representar los valores obtenidos en laboratorio. Generalmente se ajusta a un modelo potencial. Con el modelo ajustado, se puede utilizar software especializado en modelación multicapa elástica para determinar los esfuerzos actuantes reales en el material estudiado y determinar el valor buscado de Modulo Resiliente, trabajo que deberá realizar el especialista en obra. Se recomienda realizar cada dos años la calibración de los transductores y la celda de carga. 14. BIBLIOGRAFÍA Figueroa Infante A. I. (2008) Complementación, ajuste y calibración para la puesta en marcha del equipo triaxial cíclico con succión controlada para granulares. Tesis de Licenciatura no publicada, Universidad de Los Andes. Bogotá. Shane Buchanan. (2007) Resilient Modulus: What, why and how? Vulcan Materials Company AASHTO (2003) T-307 “Standard Method of Test for Determining the Resilient Modulus of Soils and Aggregate Materials” American Association of State Highway and Transportation Officials. Dynatriax (2012) Cyclic Triaxial Software for Resilient Modulus determination. 182
