RESUMEN.

En este trabajo se considera la problemtica general del comportamiento de los pavimentos flexibles, con estructura usual dentro de la prctica Peruana. En primer lugar se discute el papel fundamental que juegan las caractersticas del comportamiento mecnico de los materiales utilizados dentro del comportamiento general, considerando el efecto del trnsito y los que provienen del intemperismo, pesos de los vehculos y del efecto del agua.Despus se describen los 5 mtodos de diseo ms utilizado; a saber, el mtodo del AASTHO, el mtodo propuesto por el Instituto de Ingeniera de la UNAM, el del Catlogo Tcnico de uso en Espaa, el propuesto por el Instituto Norteamericano del Asfalto y, finalmente, el propuesto por la AASHTO. Se comparan resultados.En la ltima parte, se presenta un panorama general y un anlisis crtico de algunas de las investigaciones que sobre el comportamiento y diseo de pavimentos se estn llevando a cabo a nivel internacional.

1. INTRODUCCION

La va los Libertadores, est ubicado en el departamento de Ayacucho provincia de Huamanga, en el sur del Per. Este sector de gran importancia para la comunicacin ya que corresponde a una va departamental, lo que la convierte en una red vial de gran importante para la economa y el desarrollo del pas.

Para garantizar que la va ofrezca un nivel de serviciabilidad adecuado que genere bienestar, confort y seguridad tanto al comercio, al turismo y al transporte urbano, es necesaria una va que se encuentre en buen estado y que se ajuste a las condiciones tanto del trnsito, nivel de importancia y tipo de terreno.

Con el objetivo de conseguir una va que se acomode a las condiciones a la cuales es sometida, se realiza un estudio para el diseo de una pavimento flexible con el mtodo de la AASHTO, el mtodo racional, mtodo de la PCA, mtodo UNAM, Mtodo Kansas.

El presente informe tiene como objetivo mostrar los diseos de los pavimentos flexibles para un periodo de diseo de 20 aos, para para la va los Libertadores con un periodo de diseo, que permitan sustituir el actual pavimento que no presenta condiciones adecuadas. Para esto se hace necesario un anlisis del trnsito proyectado a un periodo de diseo de 20 aos con conversin del trnsito a ejes equivalentes , un estudio de geotcnico, que permiten determinar las condiciones de las subrasante, incluyendo ensayos de consistencia, granulometra, CBR.

2. OBJETIVOSDisear una estructura de pavimento flexible para la avenida Independencia va que comunica2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS Determinar las condiciones geotcnicas del terreno por medio de ensayos y anlisis del suelo. Por medio de apiques caracterizar la subrasante y las capas del terreno. Determinar el tipo trnsito, volumen y las cargas a las que el pavimento ser sometido durante el periodo de diseo. Determinar los espesores de las capas del pavimento, por medio de los diferentes mtodos de la AASHTO, mtodo racional, mtodo UNAM, Marshall Shell y PCADeterminar los materiales del diseo de pavimentos.

3. JUSTIFICACINEl proyecto de diseo de la va los Libertadores, se realizara con el fin de mejorar las condiciones de comunicacin intermunicipal en el departamento del Cauca, e interdepartamental con el departamento del Valle del Cauca, debido a que es una ruta de gran importancia para el desarrollo econmico del departamento.Una evaluacin funcional realizada al pavimento existente en el tramo de va, hace notoria la necesidad de realizar una evaluacin estructural del mismo. De la evaluacin estructural se determin, que la estructura existente presenta elevados ndices de deterioro y no posee vida residual; por lo que se recomienda la reconstruccin total, y la realizacin de un nuevo diseo de pavimento, que proporcione seguridad y comodidad a los habitantes de la zona.

4. ALCANCEEl diseo consiste en un pavimento flexible por los mtodos de la AASHTO y racional, y un pavimento rgido por el mtodo PCA (Portland Cement Association). Los lineamientos que se consideran para el diseo corresponden a los consignados en los manuales de diseo de pavimentos del Instituto Nacional de Vas (INVIAS), para la realizacin de los estudios de suelos, trnsito y la caracterizacin de la subrasante.Para el diseo de la nueva estructura de pavimento no se modifica el diseo geomtrico de la va, ni las caractersticas del trnsito de la misma.

5. METODOGA

Se presenta la metodologa de los mtodos de diseo mecanicistas y se discuten sus inconvenientes. Se destaca que las soluciones tericas basadas en las teoras de la Elasticidad y la Viscoelasticidad estn edificadas sobre hiptesis simplificadoras que no parecen ser satisfactorias para quien tenga experiencia de materiales y de comportamiento de pavimentos. Un anlisis detallado muestra que la dispersin en los parmetros involucrados en los modelos de deterioro usuales es elevada, y por lo tanto la confiabilidad que se puede obtener con los mtodos de diseo mecanicistas es actualmente muy reducida.El trabajo resalta la dificultad que existe al tratar de comparar mtodos de diseo entre s. A falta de una teora cientfica sobre el comportamiento de los pavimentos, la validacin de un mtodo de diseo slo se puede realizar a partir de la observacin emprica del funcionamiento a largo plazo del pavimento. Los criterios utilizados en otros pases tienen en consideracin las condiciones prevalecientes en esos lugares, tales como clima, proceso constructivo y tcnico, materiales, etc. Por ello es necesario realizar investigaciones con objeto de obtener mtodos adecuados a las condiciones imperantes en nuestro pas. Una de estas investigaciones por realizar sera la normatividad de los materiales utilizados en la construccin de estas obras.5.1. MTODO DEL INSTITUTO DE INGENIERA DE LA UNAM.

Desde hace aproximadamente tres dcadas, los proyectistas de carreteras han contado en Mxico con un mtodo de diseo para pavimentos desarrollado por el Instituto de Ingeniera de la UNAM, a peticin de la entonces Secretara de Obras Pblicas, luego SAHOP y ahora SCT. Este mtodo parti del anlisis de datos experimentales en tramos de prueba, en carreteras en servicio, de investigacin terica y de experimentacin en laboratorio en la pista circular de pruebas, que influy ms recientemente en sucesivos perfeccionamientos. Actualmente el mtodo est preparado para ser manejado con la ayuda de grficas, con calculadoras programables o con la ayuda del cmputo. El conjunto del trabajo de aos del Instituto de ingeniera de la UNAM se encuentra en la publicacin No. 444 de dicha institucin que data de 1981, pero en estas pginas slo se har una breve glosa de la metodologa de trabajo, correspondiente a la utilizacin de grficos, nomogramas y ecuaciones de diseo.Este mtodo considera como datos de entrada bsicos el tipo de carretera, el nmero de carriles, la vida de proyecto, el trnsito diario promedio anual (TDPA), tasa de crecimiento y variables adicionales sobre caractersticas del terreno y materiales, as como de climas, nivel fretico y precipitacin pluvial. Como gua para el proyectista, se recomienda la estimacin de un Valor Relativo de Soporte crtico () para las condiciones previamente dadas (Tabla 1.1).Tabla 1.1. VALOR RELATIVO DE SOPORTE CRTICO ESTIMADO PARA EL DE PAVIMENTOS, PARA SUBRASANTES COMPACTADAS 95% DEL VOLUMTRICO SECO MXIMO PROCTOR.

*Adaptacin de la tabla 2 de "Road Note 31", tercera edicin, Transport and Road Research Laboratory, Her Majestys Stationery Office, Londres, 1977 (ref 8).** De acuerdo con la variacin estacional debe elegirse el nivel fretico ms alto.*** Esta tabla se incluye nicamente con carcter cualitativo, y se refiere a VRS z mnimos. En todos los casos se deben de realizar pruebas de campo y ensayes de laboratorio para estimar el valor de diseo.El mnimo probable corresponde al caso de subrasantes colocadas bajo pavimentos impermeables.

En esta tabla se muestran valores estimados de exclusivamente para materiales de subrasante, dependiendo del tipo de material, del ndice plstico y la profundidad del nivel fretico.

Se requieren adicionalmente pruebas de laboratorio confiables, para una mejor comprensin del comportamiento de las terraceras y dems capas a disear, debiendo realizarse para cada material propuesto y disponible, pruebas con tres diferentes energas de compactacin; esto es, baja (AASHTO estndar), compactacin intermedia y alta energa (AASHTO modificada).

Para un porcentaje de compactacin especificado en el proyecto, se encuentra la humedad ptima y el correspondiente peso volumtrico seco. Sin embargo, debido a la posible variabilidad de condiciones de campo y del control de la construccin, se indicar un rango de variacin de humedad respecto al ptimo.

Asimismo, en el laboratorio se determinan los valores de resistencia, en VRS, para cada tipo de material a utilizar.

Con la informacin anterior se establece grficamente la zona que refleje las condiciones esperadas en campo para la subrasante, encontrndose el valor crtico de VRS de diseo en funcin de la humedad crtica esperada. En la figura 1 se ilustra el anterior proceso.

Figura 1.1 EJEMPLO RELACIONES PESO VOLUMTRICO SECO - CONTENIDODE AGUA - VRS, PARA UN SUELO ARCILLOSO.

Figura 1: Ejemplo de las relaciones peso volumtrico seco - contenido de agua - VRS, para un suelo arcilloso.

Para obtener el crtico de las capas, subbase y base, el mtodo emplea la ecuacin, = , en donde interviene un coeficiente de variacin (v) estimado entre 0.2 y 0.3, debido a cambios posibles del material, procedimiento constructivo, etc. Lo anterior, siempre tender a disminuir el VRS de campo promedio, que como ya se dijo cubrir incertidumbres tanto de la prueba de valor relativo de soporte como de los materiales, redundando en lo que se conoce como factor de seguridad.

El crtico se debe revisar en relacin con los valores mximos y mnimos permisibles para cada capa, comparando con el mximo permisible VRSMx, basada en consideraciones prcticas de proyecto, segn se ve en la tabla 3.

Tabla 3: VRSMx para todos los niveles de trnsito

CapaVRSMx %

Base120

Sub-base20

Sub-rasante20

Terraceras20

Si el crtico es mayor a los especificados en la tabla anterior se toma el VRSMAX como valor de proyecto para efectos de diseo por deformacin permanente acumulada.

Los valores mximos de crtico se establecen para obtener espesores razonables desde el punto de vista constructivo, y por confiabilidad del diseo. A su vez los crticos mnimos se especifican para limitar la calidad mnima de la base y de la terracera segn se ve en la tabla 4.

Tabla 4: crtico mnimos para todos los niveles de trnsito

CapaVRS mnimo permisible por proyecto %

Base80

Terracera5

En el caso de la terracera, un crtico muy bajo implica la necesidad de estudios geotcnicos especiales para disear la seccin estructural del pavimento, lo cual evita problemas posteriores de mal comportamiento del pavimento.

El mtodo contina con la obtencin y procesamiento de la informacin del trnsito vehicular (TDPA inicial, tasa de crecimiento, composicin vehicular detallada, y porcentaje de pesados cargados y vacos).

Tabla 5: Ejemplo de composicin vehicular con porcentajes de cargados y vacos.Tipo de vehculoComposicin del trnsitoCoeficiente de distribucin de vehculos cargados y vacos

A36.8%cargados1.0

vacos0.0

A243.9%cargados1.0

vacios0.0

B5.1%cargados1.0

vacos0.0

C29.7%cargados1.0

vacos0.0

C32.3%cargados1.0

vacos0.0

T2S10.3%cargados0.9

vacos0.1

T2-S20.4%cargados0.9

vacos0.1

T3-S20.1%cargados0.9

vacos0.1

T3-S30.5%cargados0.9

vacos0.1

T2-S2-R20.4%cargados0.9

vacos0.1

T2-S2-R40.5%cargados0.9

vacos0.1

El Instituto de Ingeniera de la UNAM, se ha basado en la tipificacin del trnsito y en los coeficientes de dao de los diferentes tipos de vehculos, que pueden obtenerse a partir de las pruebas AASHTO, para obtener su propia tabla de tipificacin y sus propios coeficientes de dao. Con base en experiencias realizadas en la pista circular de pruebas y en el estudio de comportamientos en tramos experimentales que la propia Institucin controla en diversos puntos de la red mexicana de carreteras, en Instituto diversific un tanto la evaluacin de daos producidos por los diferentes vehculos en los pavimentos, distinguindolos en profundidades de 0, 15, 30, y 60 cm. El volumen del trnsito real mezclado (TDPA) se convierte a trnsito equivalente de ejes sencillos de 8.2 toneladas, mediante la aplicacin adecuada de los coeficientes de dao por trnsito para vehculos tipo.

Siguiendo este razonamiento y para el anlisis del trnsito equivalente acumulado (L), el mtodo inicia el clculo de los coeficientes de dao a diferentes profundidades de la estructura del pavimento, lo cual podr procesarse con el empleo de las tablas o con la ecuacin que aparece a continuacin. Se deber calcular el coeficiente de dao de cada vehculo tanto en condiciones de carga (reglamentada) y vacos, para profundidades de Z = 0 cm para obtener los ejes equivalentes en carpeta y base, y Z = 30 cm. para el resto de la seccin.

,

Dnde:

di = Coeficiente de dao equivalente en la capa i z = Esfuerzo a la profundidad z, en Kg/cm2 p = Peso del eje, en Kg Fz = Coeficiente de influencia de Boussinesq a la profundidad z A = Constante experimental z = Profundidad en cm 5.8 = Presin de contacto de la llanta en Kg/cm2

Al obtenerse los coeficientes de dao para todos y cada uno de los vehculos vacos y cargados a las profundidades Z = 0 y Z = 30, el proyectista deber multiplicar stos por la composicin del trnsito en porcentaje. Con ello se obtendr el Nmero de ejes equivalentes para cada vehculo y para cada profundidad. Al efectuar la sumatoria de tales valores en el carril de proyecto por el coeficiente de acumulacin del trnsito CT (ver siguiente ecuacin) y por el valor de TDPA inicial, se obtendr el trnsito equivalente acumulado L para las capas de carpeta y base, y sub-base y terraceras respectivamente.

; En donde:

CT = Coeficiente de acumulacin del trnsito n = Aos de servicio r = Tasa de crecimiento anual

Finalmente el mtodo presenta un procedimiento sencillo para obtener los espesores equivalentes de diseo de la seccin estructural del pavimento, procedimiento que incluye varios nomogramas que estn en funcin del nivel de confianza Qu que se elija, el Valor Relativo de Soporte Crtico de cada capa y el trnsito equivalente acumulado en ejes sencillos de 8.2 ton en el carril de proyecto.Figura 1.3. GRFICA PARA DISEO ESTRUCTURAL DE CARRETERAS CONPAVIMENTO FLEXIBLE.

Figura 2: que expone la grfica para el diseo estructural de carreteras con pavimento flexible para un nivel de confianza de 70%.Figura 1.4. GRFICA PARA DISEO ESTRUCTURAL DE CARRETERAS CON PAVIMENTO FLEXIBLE.

Figura 3: que expone la grfica para el diseo estructural de carreteras con pavimento flexible para un nivel de confianza de 90%.Con los nomogramas citados, el proyectista podr obtener los espesores equivalentes para cada capa a las profundidades ZN, tomando en cuenta coeficientes de resistencia estructural recomendados ai, que considera 1 cm de asfalto equivalente a 2 cm de grava.a1D1 = carpeta, D1 espesor en cm, a1 coeficiente equivalenciaa2D2 = base, D2 espesor en cm, a2 coeficiente equivalenciaanDn = capa n, Dn espesor en cm, an coeficiente equivalenciaPosteriormente, se estar en posibilidad de determinar el espesor final de cada capa de la seccin estructural del pavimento diseado, interviniendo para ello los diferentes criterios que adopte para una mejor estructuracin de la seccin carretera, tomando en cuenta ciertos arreglos de capas, ciertas clases de materiales y mnimos espesores que se tienen especificados por la dependencia o autoridad responsable.En el citado trabajo, se utiliza la metodologa original del Instituto de Ingeniera de la UNAM, pero con la diferencia de analizar el dao a los pavimentos hasta 120 cm de profundidad, lo que cubre la gran mayora de los pavimentos.Se analizan 15 diferentes vehculos de carga, proporcionando sus coeficientes de dao desde una profundidad de Z = 0, Z = 15, Z = 30, Z = 60, Z = 80, Z = 100 y hasta llegar a Z = 120 cm, para ver el dao en las capas inferiores de la seccin estructural de un pavimento flexible, llegando hasta el cuerpo del terrapln. Adems se reporta el coeficiente de dao unitario ponderado por carga til, lo que auxiliar al proyectista para determinar el dao preciso en cualquier profundidad y para cualquier valor de carga; esto es, vaco, parcialmente cargado y cargado totalmente con la mxima carga legal permitida y an los casos de vehculos con sobrecarga.final de cada capa de la seccin estructural del pavimento diseado, interviniendo para ello los diferentes criterios que adopte para una mejor estructuracin de la seccin carretera, tomando en cuenta ciertos arreglos de capas, ciertas clases de materiales y mnimos espesores que se tienen especificados por la dependencia o autoridad responsable.Zrate Aquino (2003) recomienda que el espesor obtenido para cada capa se compare con el espesor mnimo especificado para el nivel de trnsito de proyecto establecido. Si el espesor es menor que el mnimo especificado, se toma dicho espesor mnimo como espesor de proyecto, y se disminuyen los espesores de las capas inferiores, con base en los coeficientes estructurales de esas capas.Los espesores mnimos especificados para las capas de base y sub-base se fijan por consideraciones constructivas, fundamentadas en el comportamiento de carreteras en condiciones reales de servicio

CAPANIVEL DE TRNSITO

L 106106 < L 107107 < L 5 x 1075 x 107 < L

Carpeta0555

Base15151515

Sub-base15151515

Sub-rasante20303030

Sub-rasante*30404040

(*) Aplicable a carreteras de altas especificacionesPara el caso de trnsito equivalente menor de un milln de ejes estndar puede considerarse un tratamiento superficial sobre una base de buena calidad. Para trnsitos mayores es conveniente colocar una carpeta de concreto asfltico, o base asfltica con un tratamiento superficial.Diseo estructural de la carretera.De acuerdo con las caractersticas de la carretera proyectada, se considera que el diseo estructural de esta se debe hacer mediante el uso de la grfica para el diseo estructural de carreteras con pavimento flexible, la cual representa condiciones normales de diseo utilizando el dato de transito equivalente acumulado (Ln) a Z = 15 expresado en potencia de base 10 y el valor de VRS criticode los diferentes materiales correspondientes a cada capa.

De donde: Es el valor medio en cada material V es el coeficiente de variacin de los valores de prueba.Cuando no se encuentre en la grfica para el diseo estructural de carreteras con pavimento flexible, con la curva que se necesita, se debe dibujar la curva de igual resistencia relativa.Con los datos de la grfica para el diseo estructural de carreteras con pavimento flexible, se obtienen los diferentes espesores de la carretera mediante el siguiente procedimiento:El espesor total del material equivalente que deber colocarse sobre la terrecera se determina dibujando una lnea vertical partiendo del punto de(de terrecera) hasta interceptar la curva de igual resistencia (S Ln), denominado punto crtico, que proyectado en el eje de las ordenadas (Z) proporcionan un espesor total (Et).Et = a1d1 + a2d2 + a3d3 + a4d4 El espesor de la carpeta (d1) se obtiene a partir delbase y la curva de igual resistencia (S Ln), con el procedimiento anterior.Et = a1d1, d1= Et / al, a1 = 2 carpeta C.A. El espesor de la base (d2) se obtiene a partir delsub-base y la curva de igual resistencia (S Ln).d2 = (Et d1) / a2 El espesor de la sub-base (d3) se obtiene a partir delsubrasante y la curva de igual resistencia (S Ln).d3 = (Et d1 d2) / a3 El espesor de la subrasante (d4) se obtiene con la siguiente formula:Et = a1d1 + a2d2 + a3d3 + a4d4d4 = (Et (d1 + d2 + d3)) / a4

a1 = 0 para carpetas de riego a1 = 2 para carpetas de concreto asfltico a2 = a3 = a4 = 1

CT= coeficiente de acumulacin del trnsito para (n) aos de servicio y una tasa de crecimiento anual (r)

To = transito equivalente medio diario en el carril de proyecto durante el primer ao de servicio ejes sencillos equivalentes de 8.2 Ton

S Ln = transito acumulado al cabo de (n) aos de servicio ejes sencillos equivalentes de 8.2 Ton.

5.1.1. APLICACON PARA EL DISEO DE PAVIMENTO FLEXIBLE POR EL MTODO DE LA UNIVERSIDAD AUTNOMA DE MXICO UNAM.

Diseo de un pavimento flexible, por el mtodo de la UNAM.Los datos de diseo son los siguientes:Clasificacin vehicular

Tasa de crecimiento anual (r) = 7%Nmero de aos de servicio (n) = 10 aosNmero de carriles = 4Caractersticas de los materiales

a) calculo del trnsito equivalente acumulado (L)Transformacin del trnsito mezclado al correspondiente transito equivalente a ejes sencillos de 8.2 Ton. Referido al carril de diseo.

El transito acumulado de ejes equivalentes de 8.2 Ton. Durante un periodo de 10 aos de servicio es el siguiente:

S Ln = CTo S Ln = CTob) diseo estructural de la carretera.