FACULTAD DE INGENIERÍA.

ESCUELA ACADÉMICO - PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL.

INFORME ACADÉMICO

“DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE PARA EL MEJORAMIENTO DE LA INFRAESTRUCTURA VIAL JR. APURIMAC CUADRA 03 Y 04 POR LOS MÉTODO DE

AASHTO 1993; MÉTODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO; MÉTODO MECANÍSTICO – EMPÍRICO”

MOYOBAMBA – PERÚ

2016

I. INTRODUCCIÓN

En la actualidad del S XXI, se han diseñado numerosas infraestructuras viales para la

circulación de vehículos y peatones con el fin de desplazarse de un punto a otro. Estas

innovaciones tienen por finalidad facilitar el transporte y movilización desde un

destino a otro para reducir los tiempos y costos, ya sea para el comercio, entre otros

intereses.

En la ingeniería de hoy en día, es indispensable el conocimiento y estudio de los

distintos tipos de pavimentos que conforman las anteriormente mencionadas obras

viales, ya que estas se clasifican en diferentes tipos: caminos no pavimentados y

caminos pavimentados.

El presente trabajo tiene como finalidad brindar información acerca de los distintos

métodos de diseño del pavimento flexible, aplicados al mejoramiento de la

infraestructura vial del Jr. Apurímac Cuadra 03 y 04 de la provincia de Moyobamba –

Región San Martín.

También, el informe académico tiene como objetivo aportar opiniones,

recomendaciones y explicar la importancia de los diferentes métodos de diseño

incluidos en el presente ensayo

OBJETIVO GENERAL:

- Diseñar un pavimento flexible para el mejoramiento vial del Jr. Apurimac cuadra 03 –

04 mediante distintos métodos de diseño.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

- Diseñar un pavimento flexible mediante el método AASHTO 1993.

- Diseñar un pavimento flexible mediante el método del Instituto del Asfalto.

- Diseñar un pavimento flexible mediante el método Mecanístico – Empírico.

II. DESARROLLO

1) GENERALIDADES

1.1) PAVIMENTOS, DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN

Las infraestructuras viales están compuestas por un conjunto de capas

conformadas por materiales seleccionados que se colocan sobre la

subrasante debidamente acondicionada. Al conjunto de estas capas,

destinadas a soportar el peso propio de la estructura y de las cargas

vehiculares se le denomina pavimento.

Por la forma en la que transmiten las cargas, los pavimentos se clasifican en:

Pavimentos Rígidos. Es el pavimento con losa de concreto en la superficie

de rodadura. Su rigidez permite que distribuya las cargas vehiculares

uniformemente hasta un punto determinado.

Pavimentos Flexibles. Es el pavimento con carpeta asfáltica en la

superficie de rodadura. Distribuye las cargas hacia la subrasante variando

la intensidad en distintos puntos de aplicación (no uniforme).

Pavimentos Mixtos o Intertrabados. Son los pavimentos adoquinados o

con emboquillado de piedra en la superficie de rodadura. Distribuye las

cargas de manera disforme hacia la subrasante.

Para el soporte de cargas, en adoquinados existen tres tipos de

adoquines, en donde varían los espesores de estos.

1.2) CONCEPTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS

Para el diseño de un pavimento, es necesario conocer y familiarizarse con

ciertos términos:

- Terreno de fundación. Es el terreno incluido en el derecho de vía

destinado a soportar las cargas de las capas del pavimento como las

cargas vehiculares. El terreno de fundación, según el tipo de Suelo se

clasifica en:

T.F. Pésimo. Suelos orgánicos, pantanosos o con turba.

T.F. Malo. Suelo arcilloso o limoso, muy susceptibles a la

saturación.

T.F. Regular- Bueno. Suelos de granulometría gruesa con

mezclas de material ligante, poco susceptibles a la

saturación.

T.F. Excelente. Suelos gravosos con alta capacidad de

resistencia para solicitaciones de cargas. No susceptibles

a la saturación.

- Subrasante. Es la superficie del terreno de fundación debidamente

tratada para la disposición de los materiales. Si el terreno de fundación es

de mala calidad, la superficie debe ser estabilizada químicamente, o con

mezcla de suelos con material de préstamo. Los tipos de subrasante se

clasifican de acuerdo a rangos de CBR (Ver anexo 1).

- CBR (California Bearing Ratio). Es un ensayo que determina la relación

existente entre la capacidad portante del suelo y su resistencia a la

penetración. El CBR clasifica a la subrasante según sus rangos

establecidos en porcentajes en función a la Densidad Máxima Seca (Ver

anexo 4).

- Módulo Resiliente (Mr). Es un parámetro que consiste en un análisis para

representar la capacidad portante de los materiales de fundación. Está

basado en ensayos dinámicos triaxiales cíclicos, en donde se asignan

cargas repetitivas. Se denomina resiliencia a la propiedad de un cuerpo

sólido a recuperar su forma luego de una deformación (zona elástica

dentro de la Ley de Hooke).

2) MÉTODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE

Para el diseño de un pavimento flexible, contamos con los siguientes métodos:

- Método AASHTO (Versión 1993).

- Método del Instituto del Asfalto.

- Método Mecanístico – Empírico.

2.1) MÉTODO AASHTO (VERSIÓN 1993)

Este método de diseño, incluye distintos parámetros como Tráfico,

Serviciabilidad, CBR, Módulo Resiliente (Mr), Número Estructural, Nivel de

confianza, Distribución normal y Distribución acumulada.

Para hallar el SN requerido, se necesitan los siguientes parámetros:

- Tráfico. Es un factor que hace referencia a la obtención de los Ejes

Equivalentes a 18 kip

- Serviciablidad. es un parámetro de diseño que expresa el confort del

usuario en el momento de su circulación en la carretera. Se divide en:

Serviciabilidad Inicial (Pi). Indica mediante un índice, el confort en la

carretera en el inicio de su uso y del comienzo de su vida útil. El

índice se establece de acuerdo con las cargas establecidas con los

Ejes Equivalentes (EE) y su clasificación por ser camino pavimentado

(Tp) o no pavimentado (Tnp). Los índices se expresan en una tabla

existente en el Manual de Suelos, Geología y Geotecnia (Ver anexo

2).

Serviciabilidiad final o terminal (Pt). Indica mediante un índice, el

confort en la carretera en el final de su uso y del término de su vida

útil. El índice se establece de acuerdo con las cargas establecidas con

los Ejes Equivalentes (EE) y su clasificación por ser camino

pavimentado (Tp) o no pavimentado (Tnp). La Serviciabilidad final

indica que la carretera ha alcanzado algún tipo de mantenimiento o

rehabilitación. Los índices se expresan en una tabla existente en el

Manual de Suelos, Geología, Geotecnia y Pavimentos – 2013 (Ver

anexo 3).

Variación de Serviciabilidad (∆PSI). Es la diferencia entre la

serviciabilidad inicial (Pi) y la serviciabilidad final (Pt).

- CBR. Para el diseño de un pavimento, se utiliza el CBR de diseño. Este

CBR está en base a distintos resultados obtenidos de ensayos de CBR

realizados en el terreno, y la cantidad de ensayos estará determinada por

la clasificación de la carretera a proyectar según su IMDA (Ver anexo 4).

- Módulo Resiliente. En el diseño de pavimentos flexibles, se establece una

correlación entre el CBR y el Mr mediante la siguiente fórmula (Ver

anexo 5).

- Nivel de Confiabilidad. Representa la probabilidad que una determinada

estructura se comporte de acuerdo con lo previsto durante su periodo

de diseño, y expresa sus valores de acuerdo a una clasificación funcional

de la obra. La confianza no se ingresa directamente en la ecuación para

el diseño, ya que se utiliza un coeficiente estadístico denominado

Desviación Estándar Normal (ZR) (Ver anexo 6).

- Desviación Estándar Normal (ZR). Es un coeficiente estadístico que

representa el valor de la confiabilidad de la obra. Este valor es ingresado

y procesado en la ecuación básica de diseño (Ver anexo 7).

- Desviación Estándar Combinada (So). Es un valor que trabaja con la

variabilidad de la predicción de tránsito. Estos valores se toman de

acuerdo al tipo de pavimento (Ver anexo 8).

- Número Estructural (SN). Luego de obtener los datos, se procesan y se

obtiene el Número Estructural. Este elemento representa el espesor total

del pavimento, que será transformado en el espesor efectivo de cada

una de las capas que lo constituirán. El número estructural se obtiene de

una ecuación básica de diseño (Ver anexo 9).

2.1.1) ESTUDIO DE TRÁFICO

En el diseño, se tiene en cuenta el IMDs (Índice Medio Diario Semanal),

cuyo valor nos brinda el volumen vehicular por días de la semana. Una

vez obtenidos los datos del IMDs, procedemos al cálculo del IMDa (Índice

Medio Diario Anual) mediante una formula (Ver anexo 10). En la

siguiente tabla, se pueden observar los cálculos del IMDa.

El Estudio de Tráfico, se realiza 7 días, las 24 horas (para proyectos de

inversión a nivel de perfil) para poder hacer un conteo de los vehículos

que pasan por el terreno de la obra proyectada, y poder así clasificarlos

según su tipología.

En la siguiente tabla, podemos observar los vehículos que pasan por la

zona del proyecto, contados por día, y clasificados respectivamente

según su tipología.

El Estudio de Tráfico puede calcularse fácilmente en hojas de cálculo,

proporcionando así un orden para el futuro cálculo del Índice Medio

Diario semanal/anual.

2.1.2) ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS

Una vez realizado el respectivo Estudio de Tráfico y cálculo del IMD, se

procede al Estudio de Mecánica de Suelos del lugar.

En el diseño de un pavimento flexible, también es importante contar con

el Estudio de Mecánica de Suelos, ya que esta etapa de estudio nos

brindará información sobre los distintos tipos de suelo existentes en el

lugar de investigación, y sus características, como su composición,

granulometría y plasticidad.

Luego, estos suelos deben ser sometidos a distintas pruebas de

laboratorio para obtener su valor relativo de soporte, es decir, resultados

de los ensayos CBR realizados en campo. Estos resultados,

posteriormente nos servirán para el CBR de diseño.

En el Estudio de Mecánica de Suelos efectuado el Jr. Apurímac Cuadras

03 y 04, la exploración de campo fue desplegada con la participación de

un (01) obrero. Con este solo obrero, se realizó cuatro (04) calicatas

(pozos exploratorios) como técnica de investigación del subsuelo,

manteniendo entre éstas una distancia prudencial que nos permitiera en

buen grado obtener el perfil del suelo del lugar.

En estas calicatas, se alcanzó profundidades de investigación de 1.50

metros.

También, se determinó que el suelo tiene una calidad de drenaje

Regular, en donde el pavimento estará expuesto a niveles de humedad

próximas a la saturación con un porcentaje menor a 1%.

2.1.2.1) PERFIL DEL SUELO

A partir del estudio realizado, se determinó que el suelo es heterogéneo.

Seguidamente, se describen los tipos de suelo hallados en el lugar:

Calicata N° 01

- Muestra M – 01 (0.00 – 2.00). Arena Arcillosa ligera o de baja

plasticidad. Según SUCS, es un SC; según AASHTO es un A – 6 (4). Esta

muestra representa un valor relativo de capacidad de soporte (CBR)

de 9.00% a 2.54 mm de penetración.

Calicata N° 02

- Muestra M - 01 (0.00 – 1.00). Limo ligero orgánico de baja

plasticidad. Según SUCS, es un OL; según AASHTO es un A – 6 (3).

- Muestra M – 02 (1.00 – 2.00). Arena arcillosa ligera o de baja

plasticidad. Según SUCS, es un SC; según AASHTO es un A – 6 (1). Esta

muestra representa un valor relativo de capacidad de carga (CBR) de

4.5% a 2.54 mm de penetración.

Calicata N° 03.

- Muestra M – 01 (0.00 – 2.00). Arena arcillosa ligera o de baja

plasticidad. Según SUCS, es un SC; según AASHTO es un A – 6 (2). Esta

muestra representa un valor relativo de capacidad de carga (CBR) de

10.50% a 2.54 mm de penetración.

Calicata N° 04.

- Muestra M – 01 (0.00 – 2.00). Arena arcillosa ligera o de baja

plasticidad. Según SUCS, es un SC; según AASHTO es un A – 6 (1). Esta

muestra representa un valor relativo de capacidad de carga (CBR) de

8.00% a 2.54 mm de penetración.

Una vez analizado el perfil del suelo, se toman los resultados de los

valores relativos de soporte (CBR), y se generan los valores de los Ejes

Equivalentes en base a 18 kip mediante una fórmula básica (Ver

anexo 11).

A continuación, se observa en la siguiente tabla, los valores de los Ejes

Equivalentes (EE) para un período de diseño de 20 años:

Con los Ejes Equivalentes, se puede clasificar la carretera; en este caso,

corresponde a una Tp7.

Luego, en base a los EE, se establece un percentil de diseño; en este caso,

por contar con EE entre un rango de 300,001 a 500,000, hemos utilizado un

percentil de diseño de 75%, y así generar seguidamente el CBR de diseño.

En la siguiente figura, se observa el cálculo del CBR de diseño generado

mediante el Método del Instituto del Asfalto.

Con el valor del CBR de diseño, se calcula el Módulo Resiliente en base a una

correlación Módulo Resiliente – CBR de diseño.

Con la fórmula anteriormente mencionada, se hicieron los respectivos

cálculos, y se obtuvo que Mr(Psi)= 9474.23.

Estableciendo posteriormente los valores de todos los parámetros de diseño

calculados, se procede a calcular el Número Estructural requerido (SNreq).

Como se ha mencionado anteriormente, este parámetro representa el

espesor total del pavimento requerido.

En la siguiente tabla, se establecen los valores de los parámetros para el

cálculo respectivo del SNreq.

Con el cálculo mediante la ecuación básica para el cálculo de Número

Estructural requerido, se obtuvo el siguiente resultado:

SNreq = 2.18

Una vez hallado el Número Estructural requerido, necesitamos especificar el

espesor total del pavimento por capas. Para esto, necesitaremos hallar el

Número Estructural real, en donde debe cumplirse la condición de que éste

sea mayor o igual que el Número Estructural Requerido.

Para hacer eficiente el espesor individual de cada capa que conforma el

pavimento, utilizaremos una ecuación básica (Ver anexo 12).

En los siguientes cuados, se observan los valores de los parámetros para hallar el SN real.

MrBase 30000MrSub-base 15000

*Fuente:

Elaboración

Propia

Los coeficientes a2 y a3 están definidos en base a una fórmula, utilizando los

Mr de la Base y Sub-base, respectivamente.

Si el suelo tiene una calidad de drenaje Regular, en donde el pavimento

estará expuesto a niveles de humedad próximas a la saturación con un

porcentaje menor a 1%, entonces nuestro coeficiente de drenaje a utilizar

para la base tanto para la sub-base es 1.2

Utilizando la fórmula anteriormente mencionada para el cálculo del SN real,

tenemos los espesores especificados para cada una de las capas que

conforman el pavimento. Tenemos entonces dos opciones:

2.2) MÉTODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO

Es un método que establece un límite de deflexión en el pavimento. Para

aplicar esta metodología, en primer lugar se necesita el número de tráfico y

los EALs.

SNreq 2.42a1 0.42a2 0.14a3 0.11m2 1.20m3 1.20

Aparte, este método permite combinaciones de carpeta asfáltica y bases de

concreto asfáltico, carpeta asfáltica con bases estabilizadas con emulsiones

asfálticas, y carpeta asfáltica con base y sub-base sin estabilizar.

Se necesitan los siguientes parámetros:

EALs. Los ejes equivalentes se calculan mediante una fórmula básica,

considerando el tráfico promedio (acumulado), los EE del año 0 y factor

de crecimiento. En base a los EALs, se eligen los espesores de la carpeta

asfáltica con una base estabilizada (sin sub-base). En este caso, el

espesor de la carpeta asfáltica será de 2” (5 cm) (Ver anexo).

Para este método, se utilizan los EE calculados del método anterior.

Carril de diseño. En una carretera con dos carriles, cualquier carril

puede ser el carril de diseño, generalmente con un factor de

distribución direccional de 50% y un factor de carril de 100%. En este

caso, se adoptan los valores.

Camión de diseño. Son vehículos que representan la tipología de

vehículos que transitan por la zona donde se proyectará la obra.

Módulo Resiliente. Se convierte el módulo resiliente a kg/cm2, para

determinar mediante un ábaco, el espesor de la base estabilizada (Ver

anexo 12).

Tenemos entonces el producto del Mr y un psi en kg/cm2. El resultado

es el siguiente:

Mr=666.1 kg/cm2

En este caso, resulta imposible utilizar el ábaco para el cálculo del

espesor de la base granular estabilizada porque el Mr mínimo es de

10000 kg/cm2. Sin embargo, se ha establecido un espesor de 12.5 cm

para la base.

2.3) MÉTODO DEL ÍNDICE DE GRUPO

Este método considera los siguientes parámetros para el diseño del espesor

de las capas del pavimento:

- Terreno de fundación compactado al 95% para densidad óptima.

- Sub-base y base compactadas al 100% para densidad óptima.

- Drenaje bueno del suelo.

- Napa freática mayor a 2 metros de profundidad, donde ya no es

perjudicial para el T.F.

- Se toma en cuenta el tipo de tránsito (liviano, mediano, pesado).

Teniendo en cuenta los siguientes criterios, se toman los espesores de las

capas del pavimento de un cuadro, teniendo en cuenta también el índice de

grupo (IG) del suelo (Ver anexo 14).

Para este proyecto, debido a que el IG se encuentra entre 2 y 4, se tomaron

en cuenta los espesores siguientes:

- Sub-base: 10 cm (4”).

- Base y carpeta de rodadura: 15 cm (6”).

2.4) MÉTODO WYOMING:

Este método, es el que contiene más parámetros. A cada parámetro se le

asigna un valor, para luego trabajar con una curva de diseño en un gráfico

según su calificación final (Ver anexo 20).

Los principales factores a considerar son:

- Precipitación anual del lugar (Ver anexo 15).

- Situación de la napa freática (Ver anexo 16).

- Acción de las heladas (Ver anexo 17).

- Drenaje superficial y subterráneo (Ver anexo 18).

- Tránsito, calculado para un periodo de 20 años (Ver anexo 19).

En la siguiente tabla, se observan los parámetros de la zona. Se determinó

que la curva de diseño es 7 (Ver anexo).

También, se tienen los siguientes CBR. Si observamos la tabla, se

Una vez obtenida la curva de diseño y los CBR, se procede al diseño del

pavimento.

o Espesor encima del terreno de fundación, con CBR de 7.75% =

10.8”. (Obtenido del gráfico Método Wyoming, ver anexo 21).

o Espesor encima de la sub-base, con CBR de 30% = 4.6”. (Con el

CBR de la sub base, sale el espesor de encima).

o Espesor de la Sub-base es: 10.8 – 4.6 = 6.2” (Resta e.total –

e.encima de la sub base).

o Espesor encima de la Base, con CBR de 55% = 2.5 (Con el CBR

de la base, sale todo el espesor de encima).

o Luego, espesor de la Base es: 4.6 - 2.5 = 2.1” (Resta e.encima de

sub base – e.encima de la base).

Entonces, se tienen los siguientes espesores:

- Capeta asfáltica: 2.5 cm

- Base: 2.10 cm

- Sub-base: 6.2 cm

ANEXOS

1) SUBRASANTE vs CBR

2) SERVICIABILIDAD INICIAL

3) SERVICIABILIDAD FINAL

4) CBR según IMDa

5) CORRELACIÓN CBR Y MR:

MRpsi=2555 x CBR0.64

6) Nivel de Confianza:

7) Desviación Estándar Normal (ZR):

8) Desviación Estándar Combinada (So):

9) SN (Número Estructural requerido):

log 10 ( ∆ PSI ) log10 (W18) = ZR x So + 9.36 x log10 (SN + 1) - 0.20 + (4.2-1.5) + 2.32 x log10 (MR) - 8.07 0.40 + 1094

(SN+1) 5.19

Donde:

W18 = Número previsto de aplicaciones de carga por eje simple equivalente a 18

kip.

ZR = Desviación estándar normal

So = Error estándar combinado de la predicción del tráfico y de la predicción del

comportamiento estructural

DPSI = Diferencia entre el índice de serviciabilidad inicial de diseño, Pi y el índice

de serviciabilidad terminal de diseño, Pt.

MR = Módulo resiliente (psi)

SN = Número estructural indicativo del espesor total del pavimento requerido.

10) ÍNDICE MEDIO DIARIO ANUAL

11) EJES EQUIVALENTES

12) DISEÑO DE BASE ESTABILIZADA POR EL MÉTODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO.

IMDS=∑ Vi7IMDa=IMDS∗FC

EE i = IMD x 365 x fi x f D x DD x DL

13) SN real

SN = a1.D1 + a2.D2.m2 + a3.D3.m3

14) TABLA DE ESPESORES DE PAVIMENTO SEGÚN ÍNDICE DE GRUPO

15) PRECIPITACIÓN DEL LUGAR

16) NIVEL DE NAPA FREÁTICA

17) ACCIÓN DE LAS HELADAS

18) DRENAJE

19) TRÁNSITO

20) CURVAS DE DISEÑO

21) GRÁFICO MÉTODO WYOMING