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PAVIMENTOS PAVIMENTOS Concepto y Tipos de pavimentos Concepto y Tipos de pavimentos Estructura de los pavimentos Estructura de los pavimentos Dise Dise ñ ñ o de pavimentos o de pavimentos M M é é todos de dise todos de dise ñ ñ o de pavimentos o de pavimentos C.B.R. C.B.R. M M ó ó dulo dulo Resiliente Resiliente M M é é todos y Pruebas de campo todos y Pruebas de campo COMPACTACI COMPACTACI Ó Ó N DE SUELOS N DE SUELOS

Compactación 3

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Compactación 3Compactación 3

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Page 1: Compactación 3

PAVIMENTOSPAVIMENTOS

•• Concepto y Tipos de pavimentosConcepto y Tipos de pavimentos•• Estructura de los pavimentosEstructura de los pavimentos•• DiseDiseñño de pavimentoso de pavimentos•• MMéétodos de disetodos de diseñño de pavimentoso de pavimentos•• C.B.R.C.B.R.•• MMóódulo dulo ResilienteResiliente•• MMéétodos y Pruebas de campotodos y Pruebas de campo

COMPACTACICOMPACTACIÓÓN DE SUELOSN DE SUELOS

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Concepto de Pavimento

Estructura conformada por un conjunto de capas (multicapa) destinada a:– resistir y distribuir a la capa de fundación (subrasante) los esfuerzos verticales producidos por el tráfico

– resistir los esfuerzos horizontales haciendo más durable la superficie de rodamiento

– mejorar las condiciones de rodamiento en cuanto a comodidad y seguridad

Page 3: Compactación 3

Peculiaridades del Pavimento como Estructura

• Estructura Multicapa: diferentes capas de materiales con propiedades mecánicas diferentes

• Estructura en faja: ancho y alto "finito"; largo "infinito"

• Cargas de tránsito: efecto destructivo variable; previsión de evolución y vida útil aproximada; intemperización y degradación de capas superiores afectan integridad de pavimento

• Clima es un factor preponderante

• Falla de pavimento: Fatiga causada por efecto de carga de tránsito (cargas cíclicas) e intemperismo

• Vida útil pequeña

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Tipos de Pavimentos según solicitaciones

• Pavimentos Autoviarios– Carga de tránsito baja, variable (camiones, ómnibus, autos, etc.)– Intensidad de tránsito variable: Alto volumen de tránsito; Bajo volumen de tránsito

• Pavimentos Aeroportuarios– Carga de tránsito pesada– Cargas dinámicas (impacto) en zona de aterrizaje– Intensidad de transito menor que pavimentos de alto volumen de tránsito

• Pavimentos Ferroviarios– Carga de tránsito alta– Transmisión de carga a través de durmientes (carga lineal transversal)

Page 5: Compactación 3

Tipos de Pavimentos según estructura

• Pavimentos Autoviarios y Aeroportuarios

– Flexibles: revestimiento bituminoso (mezcla asfáltica)

– Rígido: revestimiento de hormigón (losas)

Base

Revestimiento bituminoso

Sub-baseSubrasante

Pavimento Flexible Pavimento Rígido

Carpeta de hormigón

Sub-base

Subrasante

Page 6: Compactación 3

Paquete Estructural

Carpeta AsfCarpeta Asfáálticaltica

BaseBase

SubSub--basebase

Page 7: Compactación 3

Función estructural de cada capa

• Revestimiento: Recibe directamente las cargas de tránsito. Resiste esfuerzos rasantes (horizontales) y proporciona superficie de rodamiento adecuada

• Base: Resiste y distribuye esfuerzos normales (verticales)

• Sub-base: Complementaria de Base (por economía) o Correctiva de Subrasante (transición)

• Subrasante: Capa de fundación de la estructura del pavimento. Resiste esfuerzos normales sin grandes deformaciones

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Métodos de Diseño de Pavimentos

• Empíricos: Basados en parámetros que correlacionan propiedades físicas de los materiales

– Relación Soporte de California (CBR)

– Coeficiente de Balasto

• Mecanísticos: Basados en análisis de comportamiento mecánico de los materiales

– Teoría de Elasticidad (Boussinesq, Burmister)

– Módulos Elásticos

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Métodos de Diseño de PavimentosRelación Soporte de California (CBR)

• Porter (1929): Ensayo de medida de la capacidad soporte, denominado Índice Soporte de California (California BearingRatio, CBR)

• Ensayo mide:– Resistencia a la penetración por punzonado de un vástago en una muestra de material compactado en un molde rígido

– Expansión

Pistón de cargacomparador

suelo

molde

carga

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Introducción CBREnsayo Proctor:Permite determinar las mejores condiciones de uso para un material dado

W1, PUS1

Wopt, PUSmáx

W2, PUS2

W3, PUS3

W4, PUS4

W5, PUS5

W1W2

W3 W4 W5

PUS2

PUS4

PUS5

PUS3

PUS1

discoespaciador

Page 11: Compactación 3

Relación Soporte de California (CBR)Compara el material elegido con un material patrón

1)Se compactan 3 moldes a la humedad óptima Proctor, a densidadesDiferentes, 12, 26 y 55 golpes por capa

Wopt

PUS56

Wopt

PUS25

Wopt

PUS12

2)Se invierten los moldes y se coloca papel filtro, se colocan “pesas” que pavimento. Se inmerge en agua hasta saturación (4 días)

Papel filtro

Ingreso de agua por cara inferior calada

Ingreso de agua por cara superior papel filtro

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Relación Soporte de California (CBR)Compara el material elegido con un material patrón

3)Se extraen de a uno los moldes y se ensayan a compresión

4)Se grafican los resultados de tensión deformación y se comparan con los de la muestra patrón (piedra partida de California)

Wopt

PUS56

Wopt

PUS25

Wopt

PUS12

Page 13: Compactación 3

CBR

• Relación entre la tensión necesaria para penetrar 0,1 in (0,25 cm) un material dado y la tensión necesaria para la misma penetración en un material arbitrario, adoptado como patrón

100(%)"1,0

"1,0⋅=

patrón

muestraCBRσ

σ

• Material Patrón: Piedra triturada de California de la que se conoce las tensiones asociadas a penetraciones preestablecidas

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Tensión – Penetración del Vástago para muestra patrón

703,0100

3,70(%) "1,0"1,0 muestramuestraCBR

σσ=⋅=

70,3

105,5

133,6

161,7

182,0

020406080100

120140160180200

0,0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 0,4 0,5 0,5

Penetración (in)

Tensión (kg/cm2)

Muestra Patrón Muestra Ensayada

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Tensión – Penetración del vástago para muestra patrón

2600182,00,51,25

2300161,70,41,00

1900133,60,30,75

1500105,50,20,50

100070,30,10,25

lb/pulg2kg/cm2pulgadascm

Tensión aplicadaPenetración

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Ensayo de CBRASTM D1883; AASHTO T193

• 3 muestras compactadas con diferentes energías, en moldes de 6 in, a humedad óptima de Ensayo Proctor Modificado

– 12 golpes por capa

– 25 golpes por capa

– 56 golpes por capa (PUSM)

• Muestras se sumergen en agua 4 días con sobrecargas (“saturación de muestras”)

• Se mide expansión en 4 días

• Probetas saturadas se cargan por punzonado en prensa

– Vástago de 3 in2 (19,4 cm2)

– Velocidad de penetración 0,05 in/min (0,127 cm/min)

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Ensayo CBRCurva Tensión - Penetración

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 0,350 0,400 0,450 0,500

Penetración (in)

Tensión (kg/cm2)

12 Golpes 25 Golpes 56 Golpes

Se compara CBR0,1" y CBR0,2" adoptándose valor mayor

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Ensayo CBRCurva CBR–Peso específico seco y CBR–Humedad de Compactación

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Ensayo CBRCurva CBR – Peso Específico Seco

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

17,5 18,0 18,5 19,0 19,5 20,0 20,5

PUS (kN/m3)

CBR (%) PUSM

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Ensayo CBRCurva CBR – Peso Específico Seco

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

17,5 18,0 18,5 19,0 19,5 20,0 20,5

PUS (kN/m3)

CBR (%) PUSM

Material 1 Material 2

Material 3

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Crítica del Ensayo CBR

• Condición saturada: – Se alcanza en materiales granulares (arenas y gravas)– No se alcanza en materiales finos (arcillas y limos)

• Condición del ensayo:– Drenado para materiales granulares– No drenado para materiales finos

• Se comparan materiales ensayados en condiciones diferentes

Pistón de cargacomparador

suelo

molde

carga

Page 22: Compactación 3

Crítica del Ensayo CBR

• CBR es un número que carece de significado físico

– "CBR no es una medida directa de la capacidad soporte de los materiales" (Porter, 1950)

– "CBR no es más que un simple ensayo de corte, siendo útil como indicador de la resistencia al corte de los suelos" (Turnbull, 1950)

– "CBR debe ser considerado como un ensayo indicativo de resistencia al corte... principios de diseño de pavimentos están basados en prevención de la falla al corte de las subrasantes de los pavimentos" (Simposio de la ASCE, 1950)

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Crítica del Ensayo CBR

• Método de compactación en ensayo ≠ Método de compactación de campo (estructuras distintas)

• Método de aplicación de carga de ensayo (estático) ≠Aplicación de carga real al pavimento (tránsito) => respuestas mecánicas diferentes

• Parámetro de diseño de pavimentos sencillo y rápido pero que conduce a estructuras sobredimensionadas

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Parámetros Mecánicos de Diseño de Pavimentos

εa (%)

Módulo Tangente

Módulo Secante

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Parámetros Mecánicos de Diseño de Pavimentos

• Comportamiento no lineal de los suelos y materiales granulares• Es posible definir "módulos de deformabilidad": Módulo tangencial y Módulo secante– Variables en función del nivel de tensiones y deformaciones– Para niveles de deformación muy bajos módulo tangencial ≈módulo secante

– Cuanto menor el nivel de deformación mayor valor modular (rigidez)

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Parámetros Mecánicos de Diseño de Pavimentos

• Carga de tránsito

– Tensiones relativamente bajas � Deformaciones bajas

– Tiempo de aplicación de carga casi instantáneo

– Carga de intensidad gradual y de aplicación cíclica

• Módulo de deformabilidad recuperable representa adecuadamentecomportamiento real de materiales de pavimento

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Parámetros Mecánicos de Diseño de Pavimentos

• Hveem (1955): Fisuras progresivas de revestimiento asfáltico se debe a deformación "resiliente" (elástica) de capas subyacentes, especialmente subrasante

– Utiliza Resiliente por Elástico para diferenciar

– En realidad Resiliencia es una energía potencial de deformación (similar a la del resorte)

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Ensayos de Cargas Repetidas o Cíclicas

• Simular condiciones reales: Cargas de tránsito ⇒ Ensayo de carga repetida (cíclico)– Carga de compresión aplicada en un mismo sentido– Intensidad de carga gradualmente variable desde cero hasta máximo y vuelta a cero

– Tiempo pequeño de aplicación de carga (fracción de segundos)

• Reproducción de condiciones reales– Amplitud = carga de vehículo (rueda)– Tiempo de pulso = velocidad de vehículo– Frecuencia de aplicación = volumen de tránsito

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Ensayos de Cargas Cíclicas

• Deformación recuperable (Resiliente): εr• Deformación permanente (Plástica): εp• En primeros ciclos Módulo sufre pequeñas variaciones cada vez menores, hasta hacerse constante

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Módulo resiliente (MR)

q: Tensión desviadora (σ1 − σ3)

εr: Deformación resiliente axial (vertical)r

R

qM

ε=

0r h

h∆=ε

∆h: Deformación vertical máximah0: Altura inicial de la muestra

prt ε+ε=ε

εp: Deformación permanente muy pequeña

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Tipos de Ensayos de cargas cíclicas

• Ensayo Triaxial cíclico (Seed et al., 1955): Suelos y Materiales granulares– Desarrollado durante el estudio de la deformabilidad de las subrasantes de la pista experimental de AASHTO (Illinois)

– Similar a Triaxial convencional:• Presión de cámara (σ3): agua o aire• Tensión desviadora (σd): cíclica• Estado de tensiones principales• Resultados en tensiones totales

– Normalizado: AASHTO T 274-82

• Ensayo de Compresión diametral cíclico (Schmidt, 1972): Mezclas Asfálticas y Materiales Cementados

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Efecto del Peso específico y de la Humedad de Compactación en el Módulo Resiliente de materiales finos

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Ensayos de Campo

• Basados en parámetros empíricos (para suelos)– CBR in situ (ASTM D 4429)– Prueba de Carga de Placa– Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP)

• Basados en parámetros mecanísticos (deflexiones)– Viga Benkelman– Deflectógrafo de Lacroix– Deflectómetro de Caída de Pesa (FWD)

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Prueba de Carga de Placa (McLeod, 1948)

• Módulo de reacción de subrasante (k):

σ: tensión que transmite placa al suelo

∆: deformación fijada previamente

∆=

σk

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Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP)

Mango de agarre

Masa de 8 Kg

Cono

Regla demedida

Tope

1935 mm

575 mm

3 mm

20 mm

Puntaendurecida

a 60º

• Espesor de capas, peso específico, resistencia a la penetración

• Pesa de 8 kg• Caída libre de 575 mm• Índice de Penetración (IP)

∆: Penetración del conoN: Número de golpes

NIP

∆=

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Viga Benkelman (Benkelman, 1953)

• Deflexión por Recuperación elástica

• Camión con 8,2 ton (80 kN) en eje trasero y 80 psi (550 kPa) de presión de inflado de ruedas

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Viga Benkelman

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Deflectógrafo de Lacroix (LCPC)

• Deflexión máxima por carga transmitida por dos pares de ruedas• Medidas automáticas por palpadores colocados en trineos • Medidas casi continuas

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Deflectómetro de Impacto (Falling Weight Deflectometer)FWD (Sorensen & Hayven, 1982)

• Deflexión por carga de impacto producida por pesos que caen sobre placa apoyada en pavimento

• Medidas automáticas por sensores de velocidad • Simula carga de tránsito a velocidad de 70 – 80 km/h