Resumen

Una de las técnicas que se están utilizando principalmente en la evaluación de pavimentos es la deflectometría de impacto (FWD). En este documento se comparo la correlación que existe entre el módulo de resiliente (MR) y la prueba de CBR, elaborando los diseños de pavimentos, según las formulas empíricas aplicadas la guía AASHTO 1993 y en el documento “Desing Pamphelt for the determination of Design Subgrade in Support of the 1993 AASHTO Guide for the Design of Pavemente Structures”, publicado por Federal Highway Administration en 1997, la cual describe la utilización del deflectómetro de impacto como método para la obtención del Módulo Resiliente (MR). Además se logro determinar los diseños de la capa de estructura de pavimento, en donde se obtuvo que las diferencias de espesores utilizando los dos métodos no son notables. Palabras claves: Deflectómetro, Relación de valor de soporte de California (CBR), de impacto (FWD), módulo resiliente.

Abstract

One of the techniques that are being used mainly in the evaluation of pavements is the Falling Weight Deflectometer - (FWD). In this document it has been compared the correlation between the resilience modulus (MR) and the CBR test, by elaborating the designs of pavements, according to the applied empirical formula from the guide AASHTO 1993 and the document “Design Pamphlet for the determination of Design Subgrade in Support of the 1993 AASHTO Guide for the Design of Pavement Structures”, published by Federal Highway Administration in 1997, that describes the use of Falling Weight Deflectometer as a method for obtaining the Resilience Modulus (MR).Moreover, it could be determined the designs of the layers of pavement structure, in where it was concluded that the differences of thicknesses by using both methods are not remarkable.

CBR VS DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO (FWD) PARA DETERMINAR EL MÓDULO DE RESILIENCIA EN LA SUBRASANTE EN EL DISEÑO DE ESTRUCTURA DE

PAVIMENTO

Fredy Omar Pulido Tarazona

Universidad Pontificia Bolivariana Bucaramanga, Colombia

ing_fredypulido@yahoo.com.

Especialización en Vías Terrestres 2011

Keywords: California Bearing Ratio (CBR), Falling Weight Deflectometer, FWD, resilient modulus. 1. Introducción EN el diseño de estructuras de pavimento flexibles se pueden usar dos metodologías la

AASHTO 1993 y el Método del Instituto de Asfalto, en los cuales se añade el módulo resiliente

como un parámetro de la capacidad de soporte del suelo de cimentación de la vía, este puede

ser obtenido a través de los ensayos de laboratorio, de igual forma los obtenidos en campo por

medio del uso del deflectómetro de Impacto o también por medio de las correlaciones entre el

MR y la prueba de CBR (AASHTO T-193) como otra alternativa para determinar este parámetro

de diseño.

El objetivo de este artículo es comparar la obtención del módulo de resiliencia considerando el

resultado del CBR y considerando el uso del deflectómetro de impacto en el diseño de un

pavimento flexible.

2. Características de la subrasante

A. Definición:

La Subrasante es la capa en la que se apoya la estructura del pavimento y la característica especial que define la propiedad de los materiales que componen la subrasante, se conoce como Módulo de Resiliencia (MR) [1].

Existen diferentes métodos para medir la resistencia de los suelos de la subrasante que han sido sometidos a cargas dinámicas de tránsito, entre los cuales están los siguientes:[1] Relación de Valor Soporte de California (CBR, California Bearing Ratio) Valor de resistencia Hveem (Valor R) Ensayo de plato de carga (Valor k) Penetración dinámica con cono Módulo resiliente (MR) para pavimentos flexibles Módulo de reacción (Mk) para pavimentos rígidos.

El módulo resiliente se define como aquel que relaciona las tensiones aplicadas y las deformaciones recuperables [2]. El módulo de resiliencia es una medida de la propiedad elástica de los suelos que reconoce a su vez las características no lineales de su comportamiento. El módulo de resiliencia puede ser usado directamente para el diseño de pavimentos flexibles, pero también puede ser convertido a un módulo de reacción de la subrasante (valor k) para el diseño de pavimentos rígidos [1]. 3. Descripción del Ensayo de CBR y del Deflectometro de impacto

Ensayo De Cbr Valor Soporte California (Cbr, Aashto T-193)

En este ensayo, se mide la resistencia que opone un suelo a la penetración de un pistón de 3

plg². de área en una muestra de suelo de 6 plg. (15 cm) de diámetro y 5 plg. (12.5 cm) de altura,

a una velocidad de 1.27 mm/min (0.5 plg./min). La fuerza necesaria para que el pistón penetre

dentro del suelo se mide a determinados intervalos de penetración; estas fuerzas medidas, se

comparan con las que se necesitan para producir iguales penetraciones en una muestra que

sirve de patrón, la cual es piedra partida bien graduada; la definición del CBR es:

CBR= Fuerza necesaria para producir una penetración de 2.5 mm en un suelo

Fuerza necesaria para producir una penetración de 2.5mm en la muestra patrón

Relación que da un valor que se indica en porcentaje, el cual puede ser muy variable

dependiendo de los suelos analizados; 2 a 4 % en arcillas plásticas hasta un 70 % o más en

materiales granulares de buena calidad [1].

Convenientemente se han reportado factores que pueden ser usados para estimar el módulo de resiliencia (MR) con el CBR, el valor R y el índice de suelo. Se han dado correlaciones para encontrar el valor del módulo de resiliencia (MR) como la siguiente relación:

Mr = B x CBR (Ecuación 1) Este valor está desarrollado si el CBR < 10%, en donde B = 1500 pero este valor puede variar entre 750 y 3000 para un MR en PSI, según Figura 1.

Figura 1. Correlación CBR – Mr (Gráfica de Kentucky) Fuente: Van Til, C. J. B. F. McCollough, B. A. Vallerga, and R. G. Hicks. 1,972. Evaluation of AASHTO interim Guides

for Design of Pavement structures. NCHRP report 128 [7].

Deflectometro De Impacto

En términos generales el Deflectómetro de Impacto es un equipo que mide las deformaciones verticales (cuenco de deflexiones) generadas por una carga de impacto aplicada sobre la superficie de un pavimento. Este equipo es capaz de aplicar una carga que modela, en forma adecuada, la magnitud y características dinámicas de las cargas que imponen los vehículos sobre los pavimentos y mide la respuesta de éstos en forma bastante precisa. El equipo se encuentra constituido por cuatro sistemas principales; sistema de control, sistema de procesamiento, sistema de aplicación de cargas, y sistema de medición de cargas y deflexiones. Físicamente los dos primeros sistemas se encuentran instalados en un vehículo de arrastre y los otros dos en un remolque. La característica principal del Deflectómetro de Impacto radica en el sistema de aplicación de carga, ya que permite generar impulsos de carga que modelan en forma bastante aproximada tanto la magnitud como la duración de las cargas que imponen los vehículos al pavimento [3].

Método de retroanálisis propuesto por AASTHO Este método, permite determinar el módulo resiliente de la subrasante (MR) y el módulo efectivo del pavimento (Ep), datos que pueden ser luego utilizados en la evaluación de la capacidad estructural del pavimento. En este método el pavimento se modela como un conjunto de dos capas, una correspondiente a todas las capas sobre la subrasante y otra correspondiente a la subrasante [3]. Figura 2. Esquema de medición de deflexiones con Deflectómetro de Impactos. Fuente: Pertersen Acevedo Miguel, Relación entre modulo resiliente determinado mediante Deflectómetro de impacto y el de laboratorio [3]. El Módulo Resiliente de la subrasante, se calcula usando la siguiente ecuación:

𝑀𝑅 =0.24∗𝑃

𝑑𝑟∗𝑟 (Ecuación 2)

Donde: MR= Módulo resiliente de la subrasante, retrocalculado. P = Carga aplicada. dr = Deflexión a una distancia “r” desde el centro de carga. r = Distancia desde el centro de carga. El uso de la ecuación anterior su uso debe considerar las siguientes dos condiciones: • En primer lugar, la deflexión debe ser medida a una distancia suficientemente alejada del plato de carga como para que esta deflexión se deba sólo a la deformación en la subrasante y sea independiente del efecto de las capas superiores, y además se pueda considerar la carga aplicada

Sobre el plato como una carga puntual que valide el uso de la ecuación anterior. • Por otro lado, y en sentido contrario, la distancia no debe ser muy grande ya que las deflexiones podrían ser muy pequeñas y por lo tanto muy difíciles de medir con la exactitud necesaria. La distancia mínima a utilizar en la ecuación 2, debe cumplir con la siguiente condición:

(Ecuación 3) ae = Radio del bulbo de presiones a nivel de subrasante. a = Radio del plato de carga. D = Espesor total del pavimento sobre la subrasante. Ep = Módulo efectivo del pavimento. Como se puede apreciar, para verificar si la deflexión utilizada cumple con la distancia mínima se debe primero conocer el módulo efectivo del pavimento (Ep), el cual se debe determinar mediante la siguiente ecuación:

(Ecuación 4) d0 = Deflexión máxima en el centro del plato de carga, ajustada a la temperatura normalizada de20° C (60°F). p = Presión del plato de carga. a = Radio del plato de carga. D = Espesor total del pavimento sobre la subrasante. Ep = Módulo efectivo del pavimento. MR = Módulo Resiliente de la subrasante. El proceso antes descrito se puede automatizar mediante programas computacionales que siguen el proceso iterativo ilustrado en el diagrama de flujo: Figura 3. Algoritmo del método de retroanálisis propuesto AASHTO. Fuente: Pertersen Acevedo Miguel, Relación entre modulo resiliente determinado mediante Deflectómetro de impacto y el de laboratorio [3].

Comparacion módulo de resilencia obtenido a traves del ensayo de cbr vs deflectometro de impacto Con el objeto de comparar se realizaron distintos apiques donde se obtuvieron muestras, las

cuales fueron ensayadas según la metodología descrita en AASHTO T294-92. Al mismo tiempo

se realizaron las deflexiones con el deflectómetro de impacto (FWD).

Las vías escogidas fueron cuatro (4), de las cuales se efectuó las mediciones con el

deflectómetro de impacto y se realizo al retroanálisis, dando como resultado los sectores

homogéneos a partir de los resultados de los valores del modulo resiliente (MR).

Al realizar el diseño de los pavimentos, utilizando primero el valor de CBR y luego el de Módulo Resiliente (MR) partir de las deflexiones (FWD), se obtuvo los Números Estructurales, en el caso de las carpetas diseñadas por el método AASHTO. Los resultados se indican a continuación:

Tabla N° 1. Comparación por Prospección

CBR y FWD, Vía N° 1. Fuente: Claudio Fuentes, uso del deflectómetro de

impacto FWD en la Prospección de suelos [4].

Tabla N° 2. Comparación por Prospección CBR y FWD, Vía N° 2.

Fuente: Claudio Fuentes, uso del deflectómetro de impacto FWD en la Prospección de suelos [4].

Tabla N° 3. Comparación por Prospección

CBR y FWD, Vía N° 3. Fuente: Claudio Fuentes, uso del deflectómetro de

impacto FWD en la Prospección de suelos [4].

Tabla N° 4. Comparación por Prospección

CBR y FWD, Vía N° 4. Fuente: Claudio Fuentes, uso del deflectómetro de

impacto FWD en la Prospección de suelos [4].

5. Conclusión

En el momento de comparar los resultados de los módulos resilientes (MR) conseguidos por el

deflectómetro de impacto y la evaluación del CBR se observan diferencias que no muy

significativas en el momento de realizar el diseño de la estructura de pavimento. Por ejemplo en

la Vía N° 1 el Módulo Resiliente (MR) obtenido a partir del CBR arrojo 45 Mpa y por el método

del deflectómetro de impacto fue de 53 MPa.

Al confrontar los diseños de la estructura de pavimentos realizados con el método de CBR y el deflectómetro de Impacto las diferencias no son significativas, en los espesores de las capas de la estructura de pavimento.

Con base en lo anterior se puede llegar a la conclusión que el uso del deflectómetro de impacto es igualmente valido como instrumento de diseño en las estructuras de pavimento, ya que este método arroja valores muy cercanos a la obtención del MR con respecto al método del CBR.

En Colombia hace falta incentivar el uso del deflectómetro de impacto como herramienta de

diseño de pavimentos, ayudando a disminuir los tiempos de toma de muestras en campo y en la

elaboración de diseños.

6. Referencias

[1] Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos, Coronado Jorge, 2002. [2] AASHTO, “Guide for Design of Pavement Structures 1993”, 1993. [3] Pertersen Acevedo Miguel, Relación entre modulo resiliente determinado mediante

Deflectómetro de impacto y el de laboratorio. [4] Fuentes Claudio, Uso del deflectómetro de Impacto FWD en la prospección de suelos. [5] Dynatest Consulting, Inc. “The Dynatest Model 8081, Heavy Weigth Deflectometer Test

Sistem, Especifications”, 1994. [6] FHWA, “Design Pamphelt for the Determination of Design Subgrade in Support of the 1993

AASHTO Guide for the Design of Pavemente Structures”, 1997. [7] Van Til, C. J. B. F. McCollough, B. A. Vallerga, and R. G. Hicks. 1,972. evaluation of

AASHTO interim Guides for Design of Pavement structures. NCHRP report 128.