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PAVIMENTOS
• Definición y Clasificación de pavimentos• Capas de pavimentos y sus Funciones• Diseño de pavimentos• Métodos de diseño de pavimentos• Parámetros empíricos de diseño: C.B.R.• Parámetros analíticos de diseño: Módulo Resiliente • Métodos y Pruebas de campo
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– mejorar las condiciones de rodamiento en cuanto a
comodidad y seguridad– resistir los esfuerzos horizontales haciendo más durable
la superficie de rodamiento
La Estructura Pavimento
• Estructura en faja: ancho y alto «finito »; largo «infinito»• Clima es factor preponderante• Vida útil pequeña (10 a 20 años)• Estudios geotécnicos: cateos de subrasante de pequeña profundidad
(hasta 1,5 m); muestras remoldeadas para caracterización de poder soporte; prospecciones de canteras en grandes áreas y de pequeña profundidad
• Cargas de tránsito: efecto destructivo variable; previsión de evolución aproximada vida útil aproximada; intemperización y degradación de capas superiores afectan integridad de pavimento
• Falla de pavimento: Fatiga causada por efecto de carga de tránsito (cargas cíclicas) e intemperismo
Clasificación de Pavimentos según solicitaciones de los vehículos
• Pavimentos Autoviarios– Carga de tránsito baja, variable (camiones, ómnibus, autos, etc.)– Intensidad de tránsito variable: Alto volumen de tránsito; Bajo
volumen de tránsito (pavimentos económicos)
• 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 tranversal)– Estructura diferente a pavimentos autoviarios y aeroportuarios
Estructura del Pavimento
• Estructura multicapa Revestimiento
Base
Sub-base
Subrasante
• Revestimiento: Recibe directamente cargas; debe resistir esfuerzos horizontales; debe proporcionar superficie de rodamiento adecuada
• Base: Debe resistir y distribuir esfuerzos verticales
• Sub-base: Complementaria de Base (económica) o correctiva de Subrasante (transición)
Estructuras tipo de Pavimentos
• Clasificación de Pavimentos Autoviarios y Aeroportuarios según tipo de revestimiento– Flexibles: revestimiento bituminoso (mezcla asfáltica)– Rígidos: revestimiento de hormigón (losas)
Revestimiento bituminoso
Base
Sub-base
Subrasante
Pavimento Flexible Pavimento Rígido
Carpeta de hormigón
Sub-base
Subrasante
Diseño de PavimentosFactores que afectan al Diseño
• Características de suelos, materiales y mezclas– Pavimentos Flexibles: definen comportamiento y espesores de capas– Pavimentos Rígidos: definen comportamiento– Determinación de características: principios y criterios de Mecánica
de Suelos
• Clima– Lluvia: subrasantes; bases y sub-bases– Nivel Freático: subrasantes– Temperatura: revestimientos– Heladas: subrasante y base
• Tránsito– Magnitud de cargas– Presiones de inflado de neumáticos– Impronta– Frecuencia y número de repeticiones de las cargas– Velocidades de aplicación de cargas
Métodos de Diseño de Pavimentos
• Empíricos
– Basados en parámetros obtenidos de ensayos de laboratorio y campo
– Poder Soporte de California (CBR)
– Coeficiente de balasto
• Analíticos
– Basados en Teoría de Elasticidad (Boussinesq, Burmister)
– Módulo Elástico de Young
– Módulo Resiliente
Parámetros Empíricos de Diseño de PavimentosCBR
• Porter (Universidad de Berkeley, 1929): Ensayo de medida de la capacidad soporte, denominado Valor Soporte de California (California Bearing Ratio, CBR)
• Ensayo que mide– Resistencia a la penetración por punzonado de un vástago
(deformación) en una muestra de suelo colocada en un molde rígido
– Expansión
Valor Soporte de California (California Bearing Ratio)CBR
• Relación entre la tensión necesaria para penetrar un material 0,25 cm (0,1 in) y la tensión para tener la misma penetración en un material arbitrario, adoptado como patrón
100(%)"1,0
"1,0 patrón
muestraCBR
• Material Patrón: Piedra triturada obtenida en California del que se conoce las tensiones necesarias para producir penetraciones prestablecidas
Tensión – Penetración del Vástago para muestra patrón
Penetración Tensión en el vástago
cm pulgadas kg/cm2 lb/pulg2
0,25 0,1 70,3 1000
0,50 0,2 105,5 1500
0,75 0,3 133,6 1900
1,00 0,4 161,7 2300
1,25 0,5 182 2600
703,0100
3,70(%) "1,0"1,0 muestramuestraCBR
Ensayo de CBRASTM D1883-87
AASHTO T193-81
• 3 muestras compactadas en molde de 6 in (Ensayo Proctor) a humedad óptima de Ensayo Proctor Modificado y con:
– 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)
Ensayo de CBRASTM D1883-87
AASHTO T193-81
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)
Tens
ión
(kg/
cm2)
12 Golpes 25 Golpes 56 Golpes
Ensayo de CBR
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)
CB
R (%
)PUSM
Crítica del Ensayo de CBR
• CBR es un número que carece de siginificado físico
• Porter (1950): « CBR no es una medida directa del valor soporte de los materiales »
• Turnbull (1950): « CBR no es más que un simple ensayo de corte, siendo útil como indicador de la resistencia al corte de los suelos »
• Simposio de la ASCE (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 »
Crítica del Ensayo de 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
• CBR parámetro de diseño de pavimento « rápido » y « grosero »
Parámetros Analíticos de Diseño de Pavimentos
Boussinesq Módulo Elástico de Young (E)Burmister (1943, 1945)
• Relación - de suelos y materiales granulares: no lineal• En pavimentos carga de tránsito
– Niveles bajos de deformación de suelos y materiales– Módulos elásticos = f (nivel de deformación)– Menor nivel de deformación Mayor « rigidez » de material
• Módulo de Young no representa comportamiento real materiales de pavimento
Parámetros Analíticos de Diseño de Pavimentos
• Hveem (1955): Comportamiento « resiliente » (elástico) de pavimentos– Resiliencia X Elástico– Resiliencia = energía potencial de deformación– Fatiga de carpeta asfáltica debida a deformación resiliente de
capas subyacentes, sobretodo subrasante
Análísis del comportamiento resiliente
• Cargas de tránsito Ensayos de carga repetida (cíclicos)– Fuerza de compresión desde cero hasta máximo y vuelta a
cero– Aplicación de misma fuerza en intervalos pequeños de tiempo
(fracción de segundos)• Reproducción de condiciones reales
– Amplitud = carga de vehículo (rueda)– Tiempo de pulso = velocidad de vehículo– Frecuencia de aplicación = volumen de tránsito
Ensayos cíclicos o de cargas repetidas
• Ensayo Triaxial cíclico (Seed, 1955): suelos y materiales granulares• Ensayo de Compresión diametral cíclico (Schmidt, 1972): mezclas
asfálticas• Ensayo de flexión - tracción de viguetas a cargas repetidas (Ceratti,
1991): materiales con agregados de hasta 2 cm de diámetro
Ensayos Triaxial cíclico o de cargas repetidasAASHTO T274-82
• Desarrollado por Seed y colaboradores (Berkeley, California; 1955) al estudiar deformabilidad de subrasantes de pista experimental de AASHTO (Illinois)
• Similar a Triaxial convencional:– Tensión de cámara (3): agua o aire– Tensión desviadora (q): cíclico– Estado de tensiones principales– Resultados en tensiones totales
Módulo resiliente (MR) en el Ensayos Triaxial cíclicoSeed (1955, 1962)
• q: Tensión desviadora (• r: Deformación resiliente axial (vertical)
rR
qM
0r h
h
• h: Deformación vertical máxima• h0: Altura inicial de la muestra
prt p: Deformación permanente muy pequeña
Métodos y Pruebas de Campo
• Basados en parámetros empíricos– CBR in situ (ASTM D 4429)– Prueba de Carga de Placa– Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP)
• Basados en parámetros analíticos (deflexiones)– Viga Benkelman– Deflectógrafo de Lacroix– Dynaflet– Deflectómetro de Caída de Pesa (FWD)
Prueba de Carga de Placa (McLeod, 1948)
• Módulo de reacción de subrasante (k)
: tensión que transmite placa al suelo: deformación fijada previamente
k
Penetrómetro Dinámico de Cono (Dynamic Cone Penetrometer)DCP
• Espesor de capas, densidad, resistencia a la penetración
• Pesa de 8 kg
• Caída libre de 575 mm
• Indice de Penatración (IP)
: Penetración del cono
N: Número de golpes
NIP
Viga Benkelman (Benkelman, 1953)
• Deflexión por Recuperación elástica• Camión de 8,2 ton (80 kN) en eje trasero y 80 psi (550 kPa) de
inflado de ruedas• 3 lecturas
Deflectógrafo de Lacroix
• Deflexión máxima por carga transmitida por dos pares de ruedas• Medidas automáticas por palpadores colocados en trineos • Medidas casi continuas
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