Jesus DanieL Diaz Lugo

Diseño del pavimento de la calle Jalisco usando los programas DISPAV-5 y BSPCA

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

2.1 Pavimentos

Rico (1981), menciona que un pavimento puede definirse como la capa o conjunto

de capas de materiales apropiados, comprendidas entre el nivel superior de las

terracerías y la superficie de rodamiento, cuyas principales funciones son las de

proporcionar una superficie de rodamiento uniforme, resistente a la acción del

tránsito, a la del intemperismo y otros agentes perjudiciales, así como transmitir

adecuadamente a las terracerías los esfuerzos producidos por las cargas

impuestas por el tránsito.

En otras palabras, se puede decir que el pavimento es la superestructura de la

obra vial, que hace posible el tránsito expedito de los vehículos con la comodidad,

seguridad y economía previstos por el proyecto.

A partir de esta definición se puede determinar que existen dos tipos básicos de

pavimentos los cuales son los pavimentos flexibles y los pavimentos rígidos.

2.1.1 Pavimentos flexibles

En este tipo de pavimentos la superficie de rodamiento es proporcionado por una

carpeta asfáltica y la distribución de las cargas de los vehículos hacia las capas

inferiores, se hace por medio de las características de fricción y cohesión de las

partículas de los materiales, y la carpeta asfáltica se pliega a pequeñas

deformaciones de las capas inferiores, sin que se rompa su estructura (Olivera,

1986).

Según Rico (1981), los pavimentos flexibles son aquellos que tiene un

revestimiento asfáltico sobre una capa base granular. La distribución de tensiones

y deformaciones generadas en la estructura por las cargas de rueda del tráfico, se

da de tal forma que las capas de revestimiento y base absorben las tensiones

verticales de compresión del suelo de fundación por medio de la absorción de

tensiones cizallantes.

Por otro lado Montejo (1998), define que este tipo de pavimentos están formados

por una carpeta bituminosa apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, la

base y la sub base. No obstante puede prescindirse de cualquiera de estas capas

dependiendo de las necesidades particulares de cada obra.

Del mismo modo Montejo (1998), define las funciones de las capas de un

pavimento flexible.

La sub base granular:

Función económica. Una de las principales funciones de esta capa es

netamente económica; en efecto, el espesor total que se requiere para

que el nivel de esfuerzos en la subrasante sea igual o menor que su

propia resistencia, puede ser construido con materiales de alta calidad;

sin embargo, es preferible distribuir las capas más calificadas en la parte

superior y colocar en la parte inferior del pavimento la capa de menor

calidad, la cual es frecuentemente la más barata. Esta solución puede

traer consigo un aumento en el espesor total del pavimento y no

obstante, resultar más económica.

Capa de transición. La sub base bien diseñada impide la penetración de

los materiales que constituyen la base con los de la subrasante y por

otra parte, actúa como filtro de la base impidiendo que los finos de la

subrasante y por otra parte, actúa como filtro de la base impidiendo que

los finos de la subrasante contaminen menoscabando su calidad.

Disminución de las deformaciones. Algunos cambios volumétricos de la

capa subrasante, generalmente asociados a cambios en su contenido

de agua, o cambios extremos de temperatura, pueden absorberse con la

capa sub base, impidiendo que dichas deformaciones se reflejen en la

superficie de rodamiento.

Resistencia. La sub base debe soportar los esfuerzos transmitidos por

las cargas de los vehículos a través de las capas superiores y

transmitidas a un nivel adecuado a la subrasante.

Drenaje. En muchos casos la sub base debe drenar el agua, que se

introduzca a través de la carpeta o por las bermas, así como impedir la

ascensión capilar.

La base granular:

Resistencia. La función fundamental de la base granular de un

pavimento consiste en proporcionar un elemento resistente que

transmita a la sub base y a la subrasante los esfuerzos producidos por

el tránsito en una intensidad apropiada.

Función económica. Respecto a la carpeta asfáltica, la base tiene una

función económica análoga a la que tiene la sub base respecto a la

base.

La carpeta:

Superficie de rodamiento. La carpeta debe proporcionar una superficie

uniforme y estable al tránsito, de textura y color conveniente y resistir los

efectos abrasivos del tránsito.

Impermeabilidad. Hasta donde sea posible, debe impedir el paso del

agua al interior del pavimento.

Resistencia. Su resistencia a la tensión complementa la capacidad

estructural del pavimento.

2.1.2 Pavimentos rígidos

La superficie de rodamiento de un pavimento rígido es proporcionada por losas de

concreto hidráulico que distribuyen las cargas de los vehículos, hacia las capas

inferiores, por medio de toda la superficie de la losa y de las adyacentes que

trabajan en forma conjunta con la que recibe directamente las cargas. Este tipo de

pavimento no puede plegarse a deformaciones de las capas inferiores sin que se

presente la falla estructural. La sección transversal de un pavimento rígido está

formada por la losa de concreto hidráulico y la sub base, que se construyen sobre

la capa subrasante (Olivera, 1986).

Rico (1981), los define como aquellos en los que la losa de concreto de cemento

Portland es el principal componente estructural, que alivia las tensiones en las

capas subyacentes por medio de su elevada resistencia a la flexión, cuando se

generan tensiones y deformaciones de tracción debajo de la losa producen su

figuración por fatiga, después de un cierto número de repeticiones de carga.

Montejo (1998), considera que los pavimentos rígidos son aquellos que

fundamentalmente están constituidos por una losa de concreto hidráulico, apoyada

sobre la subrasante o sobre una capa, de material seleccionado, la cual se

denomina sub base del pavimento rígido. Debido a la alta rigidez del concreto

hidráulico así como de su elevado coeficiente de elasticidad, la distribución de los

esfuerzos se produce en una zona muy amplia, además como el concreto es

capaz de resistir, en cierto grado, esfuerzos a la tensión, el comportamiento de

una pavimento rígido es suficientemente satisfactorio aun cuando existan zonas

débiles en la subrasante .

Del mismo modo Montejo (1998), define las funciones de las capas de un

pavimento rígido.

La sub base:

La función más importante es impedir la acción del bombeo en las

juntas, grietas y extremos del pavimento. Se entiende por bombeo a la

fluencia de material fino con agua fuera de la estructura del pavimento,

debido a la infiltración de agua por las juntas de las losas. El agua que

penetra a través de las juntas licúa el suelo fino de la subrasante

facilitando así su evacuación a la superficie bajo la presión ejercida por

las cargas circulantes a través de las losas.

Servir como capa de transición y suministrar un apoyo uniforme, estable

y permanente del pavimento.

Facilitar los trabajos de pavimentación.

Mejorar el drenaje y reducir por tanto al mínimo la acumulación de agua

bajo el pavimento.

Ayudar a controlar los cambios volumétricos de la subrasante y

disminuir al mínimo la acción superficial de tales cambios volumétricos

sobre el pavimento.

Mejorar en parte la capacidad de soporte de suelo de la subrasante.

2.1.3 Estructuración de las capas de pavimentos

La estructura de un pavimento se conforma de diferentes formas, esto

dependiendo de su tipo: pavimento flexible y pavimento rígido.

Las capas que forman un pavimento flexible son la carpeta asfáltica, la base y sub

base, las cuales se construyen sobre la capa subrasante (ver Figura 1).

Figura 1. Capas que forman en general un pavimento flexible.

Fuente: Olivera (1986).

CARPETA ASFÁLTICA

La sección transversal de un pavimento rígido está formada por la losa de

concreto hidráulico y la sub base, que se construyen sobre la capa subrasante

(ver Figura 2).

Figura 2. Capas que forman un pavimento rígido.

Fuente: Olivera (1986).

2.1.4 Diferencias entre el pavimento flexible y el rígido

Entre los dos tipos de pavimentos hay diferencias, las cuales pueden ser ventajas

o desventajas sobre el otro tipo de pavimento. Ulla (2013) menciona las

características de los dos tipos.

El pavimento flexible tiene ciertas características, como lo son:

- Está constituido por varias capas.

- Contiene carpeta asfáltica y cada capa absorbe cierta cantidad de esfuerzo.

- Mayores deformaciones.

- Mayor fricción en la superficie de rodadura.

- Menor costo inicial.

- Mayor costo de mantenimiento.

- Menor vida útil.

- Color gris oscuro, lo cual exige mayor iluminación en las calles.

- El tiempo de elaboración de un pavimento asfaltico es mayor.

LOSA DE CONCRETO HIDRÁULICO

Las características del pavimento rígido son:

- Se constituye como máximo por dos capas.

- Contiene una losa de hormigón armado que absorbe todo el esfuerzo.

- Menores deformaciones.

- Menor fricción en la superficie de rodadura.

- Mayor costo inicial.

- Menor costo de mantenimiento.

- Mayor vida útil.

- Color gris claro, lo cual conlleva a que se necesite menor iluminación, ya

que las luces de los automóviles reflejan más en el color claro.

- El tiempo de elaboración de un pavimento rígido es menor, debido a que

solo se colocan las capas de concreto sobre la base.

2.1.5 Fallas más comunes en los pavimentos

Alrededor de los años, los ingenieros especializados en pavimentos han tratado de

reducir las sus fallas, sin embargo siguen estando presentes tanto en el asfalto

como en el concreto.

Las fallas más comunes en pavimentos flexibles son:

- Fracturamiento, se puede manifestar como agrietamientos y esto es debido

al exceso de carga, ondulamientos por fuerzas horizontales, contracción, o

cambios de humedad.

- Deformación, se puede manifestar como una deformación permanente y las

causas pueden ser por exceso de carga, aumento de compacidad,

consolidación o expansión.

- Desintegración (falla de carpeta), se puede manifestar como

desprendimiento en la capa asfáltica, las causas pueden ser por pérdida de

adherencia en la carpeta, reactividad química, abrasión por efecto del

tránsito, degradación de los agregados.

En los pavimentos rígidos, las fallas no se presentan muy seguidas, aunque esto

no quiere decir que no estén presentes. Algunas de las fallas en los pavimentos

rígidos pueden ser:

- Fisuración longitudinal/transversal, son fisuras sobre el eje del pavimento,

ya sea orientadas longitudinalmente o transversalmente, las causas pueden

ser por fisuración por fatiga (espesor de calzada insuficiente o separación

de juntas excesivas), reflexión de juntas, pérdida de soporte por erosión,

asentamientos diferenciales

- Roturas de esquina, es una fisura que intersecta una junta transversal con

una junta longitudinal o borde de calzada orientada al eje del pavimento, las

causas posibles de este problema pueden ser por la pobre transferencia de

carga o por la pérdida de soporte por erosión.

- Erosión por bombeo, se debe a el movimiento del agua ubicado debajo de

la losa o su eyección hacia la superficie como resultado de la presión

generada por la acción de cargas, los motivos para que se presenten estas

fallas puede ser por la disponibilidad de agua en las capas inferiores del

pavimento o por las deflexiones excesivas en los bordes o esquinas.

Estas son las fallas más comunes que se presentan en pavimentos flexibles y

rígidos según Rico (1981).

2.1.5 Mantenimiento

Son las acciones que se realizan para mantener el pavimento en buen estado, ya

sea preventivo o correctivo. Esto se presenta para los dos tipos de pavimento,

tanto como para el flexible como para el rígido

.El manual de mantenimiento y rehabilitación de pavimentos (2005), menciona los

tipos de mantenimiento dependiendo del tipo de pavimento.

El mantenimiento para el pavimento flexible se puede considerar como

mantenimiento menor o mantenimiento mayor

El alcance de un mantenimiento menor es en una zona específica y su objetivo es

tanto preventivo como correctivo.

Este tipo de mantenimiento se enfoca en fallas tales como:

- Sellado de grietas

- Bacheo

De emergencia

Bacheo superficial

De carpeta

Profundo

- Sello asfáltico localizado

- Nivelación localizada

- Texturización localizada

El alcance de un mantenimiento mayor es abarcando toda el área, su objetivo es

ser efectivo y correctivo. Este tipo de mantenimiento se da cuando la carpeta está

muy dañada y es necesario reparar gran parte de ella.

Este tipo de mantenimiento se enfoca en fallas tales como:

- Tratamientos superficiales

- Capas asfálticas

De nivelación

De fricción y/o sello

Estructurales

- Remoción por medio de corte, debido a daños excesivos.

En el pavimento rígido, la mayor parte del mantenimiento consiste en:

- Llenar y sellar las juntas y grietas en la superficie del pavimento, esto con el

fin de prevenir la filtración de humedad a la subrasante y el de mantener el

espacio original de las juntas.

- Reparación de las áreas fragmentadas y con grietas múltiples,

rellenándolas con un compuesto sellador de juntas. Cuando las áreas

fragmentadas sean demasiado grandes, se harán reparaciones a base de

concreto o algún material epóxico.

- Bacheado en áreas donde se hayan presentado fallas, se reparará por

medio de concreto de alta resistencia rápida sobre la superficie dañada.

- Reparación de las áreas dañadas por bombeo, puede corregirse por

inyección o cerrado subterráneo.

2.2 Métodos de diseño

2.2.1 Factores a considerar para el diseño de pavimentos

Montejo (1998) señala que los factores a considerar en el diseño de un pavimento

son los siguientes:

El tránsito. Interesan para el dimensionamiento de los pavimentos las

cargas más pesadas por eje (simple, tándem o tridem) esperadas en

el carril de diseño (el más solicitado, que determinará la estructura

del pavimento de la carretera) durante el periodo de diseño

adoptado. La repetición de las cargas del tránsito y la consecuente

acumulación de deformaciones sobre el pavimento son

fundamentales para el cálculo.

La subrasante. De la calidad de esta capa depende en gran parte el

espesor que debe de tener un pavimento, sea este flexible o rigido.

Como parámetro de evaluación de esta capa se emplea la capacidad

de soporte o resistencia de la deformacion por esfuerzo cortante bajo

las cargas de tránsito. Es necesario tener en cuenta la sensibilidad

del suelo a la humedad, tanto en lo que se refiere a la resistencia

como a las eventuales variaciones de volumen.

El clima. Los factores que en nuestro medio más afectan a un

pavimento son las lluvias y los cambios de temperatura. Las lluvias

por su acción directa en la elevación del nivel freático influyen en la

resistencia, la compresibilidad y los cambios volumétricos de los

suelos de subrasantes especiales. Los cambios de temperatura en

las losas de pavimentos rigidos ocasionan en éstas esfuerzos muy

elevados, que en algunos casos pueden ser superiores a los

generados por las cargas de los vehículos que circulan sobre ellas.

Los materiales disponibles. Son determinantes para la selección de

la estructura de pavimento más adecuada técnica y

económicamente. Por una parte , se consideran los agregados

disponibles en canteras y depósitos aluviales del área. Ademas de la

calidad requerida, en la que se incluye la deseada homogeneidad,

hay que atender al volumen disponible aprovechable, a las

facilidades de explotación y al precio, condicionando en buena

medida por la distancia de acarreo.

2.2.2 Estudio del tránsito para diseño de pavimentos

Según Montejo (1998) probablemente, la variable más importante en el diseño de

una vía es el tránsito, pues, si bien el volumen y dimensiones de los vehículos

influyen en su diseño geométrico, el número y el peso de los ejes de éstos son

factores determinantes en el diseño de la estructura del pavimento.

La Secretaria de Comunicaciones y Transportes (2008) ha designado la siguiente

nomenclatura para los distintos tipos de vehículos (Ver Tabla 1).

Tabla 1. Clase y nomenclatura de los vehículos

Fuente: Secretaria de Comunicaciones y Transportes (2008).

Para la diferenciación entre vehículos es dependiendo de su número de ejes,

numero de llantas y configuración del vehículo.

Para autobuses (Ver Tabla 2).

Tabla 2. Clase, nomenclatura, número de ejes y número de llantas (autobús).

Fuente: Secretaria de Comunicaciones y Transportes (2008).

Para camiones unitarios (Ver Tabla 3).

Tabla 3. Clase, nomenclatura, número de ejes y número de llantas (camión

unitario).

Fuente: Secretaria de Comunicaciones y Transportes (2008).

Para camiones remolque (Ver Tabla 4).

Tabla 4. Clase, nomenclatura, número de ejes y número de llantas (camión

remolque).

Fuente: Secretaria de Comunicaciones y Transportes (2008).

Para tracto camión articulado (Ver Tabla 5).

Tabla 5. Clase, nomenclatura, número de ejes y número de llantas (Tracto camión

articulado).

Fuente: Secretaria de Comunicaciones y Transportes (2008).

Para tracto camión semirremolque-remolque (Ver Tabla 6).

Tabla 6. Clase, nomenclatura, número de ejes y número de llantas (Tracto camión

semirremolque-remolque).

Fuente: Secretaria de Comunicaciones y Transportes (2008).

2.2.3 Metodología para pavimentos flexibles

Desde hace cuatro décadas los ingenieros en carreteras han utilizado para el

diseño de pavimentos el método denominado de la Universidad Autónoma de

México (U.N.A.M.). Ésta, a través del Instituto de Ingeniería, lo desarrolló a

petición de la entonces la llamada Secretaría de Obras Públicas, ahora Secretaria

de Comunicaciones y Transportes (S.C.T.). Este método partió del análisis de

datos experimentales en tramos de prueba, en carreteras en servicio, de

investigación teórica y de experimentación en laboratorio en la pista circular de

pruebas, que influyó más recientemente en sucesivos perfeccionamientos.

Actualmente el método está preparado para ser manejado con la ayuda de

gráficas o programas informáticos (U.N.A.M., 1981).

La Universidad Autónoma de México (1981), menciona que método considera

como datos de entrada básicos el tipo de carretera, el número de carriles, la vida

de proyecto, el tránsito diario promedio anual (TDPA), tasa de crecimiento y

variables adicionales sobre características del terreno y materiales, así como del

clima, nivel freático y precipitación pluvial.

2.2.4 Metodología para pavimentos rígidos

Packard (1984), menciona que el método de la Asociación de Cemento Protland

(P.C.A.) es aplicable a pavimentos de concreto simple con juntas, pavimentos

reforzado con juntas y pavimentos con refuerzo continuo. Los esfuerzos y

deflexiones críticas se han calculado y combinado con criterios de diseño, para

desarrollar tablas y gráficas de diseño.

De el mismo modo, Packard (1984), reconoce que el pavimento puede fallar por

fatiga del concreto y que a su vez se basa en el cálculo de esfuerzos por cargas

en el borde de las losa, a medio camino entre juntas transversales.

2.3 Pruebas utilizadas para el diseño

La prueba de laboratorio a realizar, es la del valor soporte de California la cual

permite determinar el valor de V.C.R. (valor de soporte de California) en

especímenes compactados dinámicamente, para verificar que cumplan con lo

indicado en las normas N-CMT-1-01, materiales para terraplén, N-CMT-1-02,

materiales para subyacente y N-CMT-1-03, materiales para subrasante,

respectivamente (SCT,2008).

2.4 Programas utilizados para el diseño

DISPAV-5 para pavimentos flexibles:

El DISPAV-5 es un programa de tipo interactivo que permite calcular tanto

carreteras de altas especificaciones como carreteras normales. Su fundamento es

teórico-experimental, y para su aplicación se emplean conceptos y métodos de

cálculo mecanicistas.

El programa requiere la alimentación de información referente al tipo de carretera,

tránsito de proyecto, materiales a emplear y nivel de confianza (U.N.A.M. 2014).

BSPCA para pavimentos rígidos:

El programa llamado BSPCA realizado en Visual Basic requiere la introducción de

los diferentes parámetros y efectuando los análisis de fatiga y erosión permite

obtener el dimensionamiento de la estructura de pavimento. Una vez realizado el

dimensionamiento permite realizar un análisis de sensibilidad para evaluar la

incidencia de la variación de los respectivos parámetros en el análisis de los dos

criterios de diseño fatiga y erosión son contemplados por el método. Esta

herramienta se considera de gran utilidad para los ingenieros de pavimentos

debido a que facilita la actividad de diseño y permite fácilmente evaluar los

cambios que se pueden presentar dentro del proceso constructivo cuando alguna

de las variables difiera de las consideraciones inicialmente planteadas en el diseño

(Herramienta de software para diseño de pavimentos rígidos bs-pca, 1984).