Mecanica de Suelos Aplicado a Vias de Transporte

MECANICA DE SUELOS APLICADO A VIAS DE TRANSPORTES

CONTENIDO

1.1ObjetIVo

1.2PERFIL ESTATIGRFICO

1.3TRAMOS CRTICOS

1.4CAPACIDAD PORTANTE, CBR, DE LA SUBRASANTE

1.5CANTERAS

4.5.1. Metodologa para la Evaluacin de Canteras

4.5.1.1. Trabajos de Campo

4.5.1.2. Trabajos de Laboratorio

4.5.1.3. Interpretacin de Resultados. Trabajos de Gabinete

4.5.1.4. Recomendaciones Generales para Canteras

4.5.1.5. Canteras Localizadas

4.5.1.6. Levantamientos Topogrficos de las Canteras

1.6. FUENTES DE AGUA

1.7. UBICACIN DE LA PLANTA DE ASFALTO Y DE LA TRITURADORA

1.8. CONCLUSIONES

1.1ObjetivosEl objetivo principal del Estudio de Suelos es determinar la capacidad portante, CBR, de los suelos naturales, subrasante, por los que pasa el tramo de carretera Ollantaytambo Alfamayo.

Para llenar este objetivo se ha elaborado el Perfil Estratigrfico de los suelos mencionados. En dicho perfil se notan los suelos que conforman toda la franja vial y las caractersticas favorables y desfavorables de ellos, determinndose los lugares de muestreo para calcular la capacidad portante, CBR, de los mismos.

Otro objetivo es la bsqueda de depsitos de materiales de construccin, (canteras) y fuentes de agua apropiados para la conformacin de Rellenos, Sub-Bases, Bases, Carpeta Asfltica, Tratamiento Superficial y Concreto.

Para llenar este objetivo se ha visitado distintos lugares que por sus vestigios as como por su conformacin geolgica, puedan ser tomadas en cuenta como canteras, efectundose en estos lugares los muestreos correspondientes para la determinacin de sus caractersticas en el laboratorio de mecnica de suelos y el establecimiento de su idoneidad para la construccin de rellenos, de las distintas capas del pavimento y de concreto.

1.2. PERFIL ESTRATIGRAFICO

1.2.1 Trabajos de Campo

Se han perforado calicatas de 1.50m. de profundidad cada 200m. de carretera existente y/o menor distancia en los lugares donde se not cambios ostensibles en la naturaleza de los suelos del terreno natural, subrasante.

En cada calicata se ha tomado muestras de material empleado como lastrado de la va as como de los materiales de cada uno de los estratos diferentes del suelo natural. Se ha registrado tambin la profundidad a la que se encontr la napa fretica en cada calicata.

Las muestras tomadas han sido convenientemente identificadas y enviadas al Laboratorio para efectuar los siguientes ensayos:

Granulometra

Lmites de Atterberg

Clasificacin SUCS

Una vez que se concluyeron estos ensayos se confeccion el Perfil Estratigrfico mencionado.

Paralelamente a las perforaciones y con el objeto de completar el Perfil Estratigrfico, se ha registrado en el campo las estacas de comienzo y fin de los tramos con roca fija ya que las perforaciones de las calicatas podran no coincidir con estos tramos.

Una vez que se concluyeron estos ensayos se confeccion el Perfil Estratigrfico mencionado.

1.2.1 Descripcin General de lo Suelos

Superficialmente yace una capa de material granular, compuesto preponderantemente por una grava limosa (A-1-b(0)), de color amarillento, no plstica, compacta, de espesor variable entre 0.10 y 0.15 m, la misma que ha servido hasta la actualidad como superficie de rodadura.

Subyacen a esta capa estratos formados preponderantemente por Gravas limosas (GM=37%), no plsticas, compactas; Gravas pobremente graduadas limosas (GP-GM=18%), arenas limosas (15%) y en menor porcentaje arenas arcillo-limosas, limos arcillosos y arcillas de baja a mediana plasticidad.

En trminos generales se puede considerar que el material de sub-rasante es de buena calidad.

1.3 TRAMOS CRTICOS

Nivel Fretico

Durante la ejecucin del Estudio de Suelos se han identificado sectores con problemas que pueden afectar la estructura del pavimento.

En dichos sectores, se ha detectado la presencia de nivel fretico alto, donde se hace necesario elevar la rasante, para evitar el ascenso capilar hacia las capas del pavimento, dichos tramos son:

Km 24+570 - Km 25+060

Km 30+840 - Km 31+160

Km 33+500 - Km 34+200

Km 35+350 - Km 35+700

Km 38+700 - Km 39+400

Km 56+140 - Km 56+500

En todos esto sectores se elevar la rasante 1.00 m en promedio, con material granular, segn especificaciones tcnicas, asimismo en estas zonas se prev la colocacin de sub-drenes y/o zanjas de drenaje.

Mejoramiento de Sub-rasante

Asimismo existe un sector comprendido entre el Km 5+900 Km 6+100, donde deber mejorarse la subrasante en un espesor de 0.50 m debido a la presencia de un lente arcilla de baja compresibilidad, el mismo que subyace a la capa de grava limosa que actualmente sirve como superficie de rodadura. Dicho mejoramiento se lograr a travs del reemplazo de la arcilla con material granular selecto cuyo CBR no ser menor a 20%

1.4 Capacidad Portante, CBR, de la Subrasante

Con la observacin de los suelos similares existentes en toda la carretera y con la ayuda del Perfil Estratigrfico, se ha seleccionado los lugares donde fue necesario tomar muestras de subrasante para la determinacin de sus Capacidades Portantes, CBR.

De acuerdo con estas observaciones se tomaron muestras de subrasante cada dos kilmetros y en aquellos lugares donde los suelos de subrasante varan.

Las indicadas muestras, debidamente identificadas, fueron remitidas al Laboratorio para efectuar los siguientes ensayos:

Relacin Humedad Densidad (Proctor Modificado)ASTM D- 1557

Valor Relativo de Soporte (CBR)ASTM D- 1883

Una vez que se concluyeron estos ensayos se determin, mediante la comparacin de los CBR, los lugares mas favorables as como los ms desfavorables para considerarlos como uno de los parmetros importantes para el Diseo del Pavimento de toda la carretera ya que otro de los parmetros importantes es el obtenido del Estudio de Trfico.

Por otro lado, luego de obtenidos lo resultados de laboratorio, se defini un nico ttramo homogneo, con fines de diseo de pavimentos.

1.5 Canteras

Se ha buscado depsitos de materiales, (Canteras), apropiadas para Rellenos, Enrocados, Sub-base, Base, Carpeta Asfltica y Concreto.

Despus de efectuar un croquis de cada una de las posibles canteras, se ha determinado sus caractersticas de campo, como ubicacin, distancia a una estaca del eje de la carretera, Potencia, Usos, Tratamientos, y Rendimientos (Ver cuadro N01)

1.5.1Metodologa para la Evaluacin de Canteras

Previo al estudio de campo de la carretera se efectu una recopilacin de los antecedentes, con la finalidad de tener una idea de la existencia de canteras cercanas que podran servir al proyecto en estudio y/o canteras que actualmente estn en explotacin o fueron utilizadas en otros proyectos. Por otro lado, se ha hecho una inspeccin de toda la zona del Proyecto a fin de determinar reas geolgicas apropiadas como depsitos de materiales para las diferentes capas de la estructura del pavimento.

4.5.1.1Trabajos de CampoUna vez seleccionadas las reas geolgicas aparentes para su explotacin, se efectuaron las respectivas calicatas de prospeccin, a fin de determinar la naturaleza y composicin de las mismas, as como su potencia, rendimiento y mtodos de explotacin.

De los materiales obtenidos de estas calicatas en cada cantera, se tomaron muestras para determinar en el Laboratorio sus caractersticas fsico mecnicas as como tambin su calidad como agregados para la estructura del pavimento.

Para la ubicacin de las Fuentes de Agua se tuvo en cuenta principalmente, que estn ubicadas lo mas cerca posible a la Obra, su fcil acceso y explotacin, y que cuenten con la calidad requerida.

4.5.1.2Trabajos de laboratorioLas muestras disturbadas extradas en la investigacin de campo, fueron procesadas en el Laboratorio de Mecnica de Suelos, empleando las normas ASTM vigentes.

El programa de ensayos comprendi lo siguiente:

Contenido de humedad natural

ASTM D-2216

Anlisis Granulomtrico por tamizado

ASTM D-422

Cantidad de Material que pasa la malla n 200ASTM D-1140

Lmite Lquido

ASTM D-423

Lmite Plstico

ASTM D-424

Densidad (Peso volumtrico de suelos cohesivos)

Equivalente de arena

ASTM D-2419

Gravedad especfica y absorcin (agregado grueso)ASTM C- 127

Gravedad especfica y absorcin (agregado fino)ASTM C- 128

Partculas friables

Relacin Humedad Densidad (Proctor Modificado)ASTM D-1557

Valor relativo de soporte

ASTM D-1883

Resistencia a la Inalterabilidad por medio del sulfato

de sodio (Durabilidad)

ASTM C-88

Resistencia al desgaste por abrasin empleando la

Mquina de los Angeles

ASTM C-131

Afinidad del Agregado Bitumen (Agregado grueso)ASTM D-1664

Determinacin de partculas chatas y alargadas ASTM D-4791

Peso unitario (suelto y varillado)

ASTM C-29

Impurezas orgnicas

ASTM C-40

Mdulo de fineza

ITINTEC 400.037

Adherencia del agregado fino Riedel Weber (arena)

% Caras de fractura

Clasificacin SUCS

Clasificacin AASHTO

Con la finalidad de determinar la existencia de sales solubles, sulfatos y sustancias nocivas, que puedan atacar la estructura del pavimento y obras de concreto con cemento portland, se efectuaron los siguientes ensayos qumicos en los agregados y muestras de agua:

Impurezas Orgnicas (cualitativo) ITINTEC 339.088 y ASTM D-1889

Sales Solubles Totales

ITINTEC 339.088 y ASTM D-1889

1.5.1.3Interpretacin de Resultados Trabajos de GabineteLos resultados de Laboratorio se compararon con las Especificaciones Tcnicas recomendadas para el empleo en las distintas estructuras de una carretera como son rellenos, sub bases, bases, carpeta asfltica, tratamiento superficial, bicapa y concreto.

Igualmente se determin los diferentes tratamientos en los materiales para procurar que stos cumplan con las Especificaciones Tcnicas requeridas y el equipo de explotacin ms recomendado as como las temporadas de explotacin, etc.

La ubicacin de cada cantera con su distancia el eje de la carretera, as como las caractersticas de los materiales se anotan en los resultados de cada cantera y tambin en forma resumida en el Grfico de Canteras y Fuentes de Agua.

Las obras de Proyecto sern de Carpeta Asfltica en caliente, con base de piedra triturada, sub base granular y relleno. Las obras de concreto sern a base de agregados zarandeados y/o triturados y cemento Portland, los Tratamientos Superficiales igualmente con agregados zarandeados y/o Triturados y Asfalto. Por estas razones los anlisis de los materiales se han efectuado dentro de este contexto.

En el anexo del Estudio de Suelos se puede observar los resultados de los anlisis de todos los materiales, los certificados de ensayos Especiales as como las fotografas de cada una de las canteras.1.5.1.4Recomendaciones Generales para las Canteras LocalizadasSe recomienda que el acopio de materiales en las canteras se efecte con la debida anticipacin, especialmente en las ubicadas en ros.

En todas las canteras por emplear, deber eliminarse el material orgnico as como la capa de suelo superficial que no sea adecuado.

Para incrementar el rendimiento de las canteras y para que el agregado resultante cuente con mejores caractersticas, el material de cantera deber separarse por zarandeo en agregado fino y agregado grueso para triturar solamente este ltimo.

Los materiales con contenido de finos en porcentajes superiores a lo especificado debern ser tratados mediante lavado con el fin de reducir la cantidad de finos que pasan la Malla N 200, especialmente para su empleo en mezclas asflticas y en concreto.

Para obtener un diseo de mezcla asfltica de mejor calidad, que garantice una buena cohesin, una resistencia al rpido envejecimiento y una menor fragilidad, se recomienda la adicin de filler que puede ser cemento portland en una proporcin de 1% a 2% (ASTM C-150, tipo I) o cal hidratada en una proporcin de 1.5% a 2% (ASTM C-207, tipo M), del peso total de la mezcla.

Las mezclas destinadas a carpetas asflticas y a concreto con cemento portland se realizaron de acuerdo con las granulometras requeridas en las Especificaciones Tcnicas con agregados gruesos provenenientes de la trituracin. Generalmente se recomienda para mezclas asflticas en caliente 40% de agregado grueso y 60% de agregado fino. La presente recomendacin lgicamente se sujetar a los porcentajes exactos obtenidos del Diseo Marshall.

La cantidad de polvo y materiales que pasan la malla N 200, ser controlada en la planta de asfalto, por medio de un recuperador de polvo, en caso de que fuera necesario.

Con la finalidad de obtener una buena estabilidad y durabilidad de los agregados para la mezcla asfltica, la grava ser producida por trituracin del material mayor de 1 hasta el tamao mayor que indique el diseo de mezcla. El agregado fino se obtendr del zarandeo del hormign natural para luego proceder a su lavado, en caso de que fuera necesario.

1.5.1.5Canteras LocalizadasLas canteras localizadas son las siguientes:

CANTERA

:HuayraccpuncoUbicacin

:Km.3+500

Desvo

:a 50 m del eje al Lado Derecho

Acceso

:En regular estado

Potencia

:20 000 m3

Periodo de explotacin:En cualquier poca

Usos

Tratamiento

Rendimiento ( % )

Relleno

Natural eliminando Piedras > 390

CANTERA

:Chillca 01

Ubicacin

:Km 4 + 160

Desvo

:A 3.5 Km. del eje al Lado Izquierdo

Acceso

:En regular estado

Potencia

:30 000 m3.

Periodo de explotacin:En poca de Estiaje (Abril a Setiembre)

Usos

Tratamiento

Rendimiento ( % )

Relleno


95

Sub Base

Zarandeo, y mezclado

90

Base GranularZarandeo, Triturado secundario, y

Mezclado

85

CANTERA

:Chillca 02

Ubicacin

:Km.4 + 160

Desvo

:A 5.5km del eje al Lado Izquierdo

Acceso

:En regular estado requiere mejorar

Potencia

:35 000m3.

Periodo de explotacin:En poca de Estiaje (Abril a Setiembre)

Usos

Tratamiento

Rendimiento ( % )

Relleno


95

Sub Base


90


Mezclado

85

Mezcla Asfltica

en caliente de Sup.Zarandeo, Triturado secundario,

Aditivo, Filler, y Mezclado

85

CANTERA

:Peas

Ubicacin

:Km 23 + 600

Desvo

:a 100 m del eje al Lado Izquierdo

Acceso

:No tiene. Construir de acuerdo a la explotacin

Potencia

:150 000 m3

Periodo de explotacin:Cualquier poca del ao

Usos

Tratamiento

Rendimiento ( % )

Relleno


95

Sub Base


90


Mezclado

95

Mezcla Asfltica

en caliente de Sup.Zarandeo, Triturado secundario, Lavado


90

CANTERA

:Mlaga

Ubicacin

:Km 53+800

Desvo

:a 50 m del eje al Lado izquierdo

Acceso

:no tiene construir de acuerdo a la explotacin

Potencia

:20 000 m3


Usos

Tratamiento

Rendimiento ( % )

Relleno


90

CANTERA

:Carrizales

Ubicacin

:Km 66+450

Desvo

:A 50 m del eje, Lado Derecho

Acceso

:No tiene construir de acuerdo a la explotacin

Potencia Estimada:30 000 m3


Usos

Tratamiento

Rendimiento ( % )

Relleno


80

CANTERA

:Alfamayo

Ubicacin

:Km.84+469

Desvo

:A 100 m del eje, al lado derecho

Acceso

:No tiene, construir de acuerdo a la explotacin



Usos

Tratamiento

Rendimiento ( % )

Relleno


95

CANTERA

:LucumayoUbicacin

:Km 84 + 469

Desvo:A 1.5 km del final del tramo con direccin hacia Quillabamba

Acceso

:No tiene, construir


Perodo de explotacin:En poca de estiaje (Abril a Setiembre)

Usos

Tratamiento

Rendimiento ( % )

Relleno


95

Sub Base


90


Mezclado

95

Mezcla Asfltica

en caliente de Sup.Zarandeo, Triturado secundario,


90

1.5.1.6Levantamientos Topogrficos de la Canteras

Se ha efectuado los levantamientos topogrficos de todas y cada una de las canteras aptas para su empleo en esta carretera, con indicacin de las reas de explotacin para determinacin de sus potencias.

1.6 Fuentes de Agua

Se ha considerado como fuentes de agua las quebradas que atraviesan la va y que tiene rgimen permanente de agua.

Se ubicaron puntos de agua aprovechables para los fines de construccin en las siguientes progresivas:

Ro Urubamba Lado IzquierdoKm.3+900

Qda. Tanjac Lado DerechoKm 6+870

Qda. Las Peas Lado IzquierdoKm.21+150

Qda Tanjac Lado DerechoKm.27+000

Qda Tastayoc Lado DerechoKm.34+300

Qda. Canchayoc Km.57+000

Qda. InishpataKm 61+050

Qda. La SirenaKm.69+800

Qda Alfamayo Lado DerechoKm.73+450

Qda Alfamayo Lado IzquierdoKm.81+600

Las muestras de agua tomadas en cada quebrada fueron sometidas a los respectivos ensayos qumicos con el fin de determinar su idoneidad para bases, sub-bases y rellenos y su agresividad a las obras de concreto con cemento Portland.

1.7Ubicacin de la Planta de Asfalto y de la Trituradora de Agregados (Chancadora)

La planta de Asfalto y la Planta Trituradora de Agregados (Chancadora), estarn ubicadas en el Km. 21+000. La otra planta de asfalto y trituradora estarn ubicadas en el Km 84+476 (Lucumayo) con un desvo de 1.5 Km del final del tramo con direccin hacia Quillabamba.

1.8 CONCLUSIONES Los suelos de sub-rasante, estn compuestos predominantemente por gravas limosas (GM) , en consecuencia son clasificados como material de sub-rasante de buena calidad.

Se ha detectado la presencia de nivel fretico, con la consecuente saturacin de los suelos, debiendo ser deprimida la napa fretica mediante el empleo de subdrenes. y donde adems se prev la elevacin de la rasante en 1.00 m , dichos sectores son:

Km 24+570 - Km 25+060

Km 30+840 - Km 31+160

Km 33+500 - Km 34+200

Km 35+350 - Km 35+700

Km 38+700 - Km 39+400

Km 56+140 - Km 56+500 Deber mejorarse la sub-rasante en el sector comprendido entre el Km 5+900 y el Km 6+100, en un espesor de 0.50m, debido a la presencia de una arcilla de baja compresibilidad, dicho mejoramiento se lograr a travs del reemplazo de la misma con material granular selecto cuyo CBR no ser menor a 20%

Se han ubicado bancos de materiales que, luego de las pruebas de calidad, permiten ser clasificados como Canteras aptas para diferentes usos en las diversas actividades constructivas durante la ejecucin de la obra. Dichas canteras son las siguientes:

Cantera Huayraccpunco

Km.3+500

Cantera Chillca 01

Km 4 + 160 (a 2.3 km. del eje de la carretera)

Cantera Chillca 02

Km.4 + 160 (a 5.6 km. del eje de la carretera)

Cantera Peas

Km.23 + 600

Cantera Mlaga

Km 53+600

Cantera Carrizales

Km 66+450

Cantera Alfamayo

Km.84+700 (a 100 m. del final del tramo)

Cantera Lucumayo

Km 84 + 476 (a 1.4 km. del final del tramo)

Se ha considerado como fuentes de agua las quebradas que atraviesan la va y que tiene rgimen permanente de agua.

Se ubicaron puntos de agua aprovechables para los fines de construccin en las siguientes progresivas:

Ro Urubamba Lado IzquierdoKm.3+900

Qda. Tanjac Lado DerechoKm 6+870

Qda. Las Peas Lado IzquierdoKm.21+150

Qda Tanjac Lado DerechoKm.27+000

Qda Tastayoc Lado DerechoKm.34+300

Qda. Canchayoc Km.57+000

Qda. InishpataKm 61+050

Qda. La SirenaKm.69+800

Qda Alfamayo Lado DerechoKm.73+450

Qda Alfamayo Lado IzquierdoKm.81+600

La planta de Asfalto y la Planta Trituradora de Agregados (Chancadora), estarn ubicadas en el Km. 21+000. La otra planta de asfalto y trituradora estarn ubicadas en el Km 84+469 (Lucumayo) con un desvo de 1.5 Km del final del tramo con direccin hacia Quillabamba.

2.1DISEO DEL PAVIMENTO

2.1.1. Introduccin

Las carretera Ollantaytambo Alfamayo , ser dotada de un pavimento flexible de Mezcla Asfltica en caliente de 7.6 cm de espesor, para un perodo de diseo de 10 aos.

2.1.2Clculo del EAL (Repeticiones de Ejes Equivalentes de 8.2 toneladas)

Se han calculado el nmero de repeticiones de ejes equivalentes utilizando los factores de carga equivalente y las proyecciones del trfico obtenidos en el estudio de trafico para incluirlos en la siguiente expresin:

Donde:

EALNmero de repeticiones de ejes de 8.2 ton. para un perodo de n aos

IMD2Indice Medio Diario de camiones de dos ejes, correspondiente al ao base.

EE2Ejes Equivalentes de 8.2 ton por camin de dos ejes

IMD3Indice Medio Diario de camiones de tres ejes, correspondiente al ao base.

EE3Ejes Equivalentes de 8.2 ton por camin de tres ejes

IMDtIndice Medio Diario de camiones trailer y semitrailer, correspondiente al ao base.

EEtEjes Equivalentes de 8.2 ton por camin trailer y semitrailer

P.A.Primer ao del periodo, a partir del ao base

U.A.Ultimo ao del periodo, a partir del ao base

rcTasa de crecimiento del trfico de camiones

Aplicando la anterior formula y considerando como ao cero 1999 se tiene los siguientes resultados:

Ollantaytambo Chilca

Chilca Alfamayo

IMD

505

331

EAL

1.481*105Repet

1.305*105 Repet

2.1.3Anlisis Estadstico de Valores de CBR con fines de Diseo del Pavimento

Los resultados de Laboratorio de las pruebas del Valor Relativo de Soporte (CBR) y el perfil estratigrfico de los Suelos, permitieron determinar tramos homogneos representativos los cuales han sido analizados mediante mtodos estadsticos, tales como el Mtodo Japons y el del Instituto del Asfalto, obtenindose de esta forma los CBR de diseo.

A continuacin se describen los resultados de los anlisis estadsticos de Valores Relativos de Soporte (CBR) los 4 tramos homogneos:

Tramo Homogneo N 01 (Km. 1+000 Km. 2+400)

Tipo de suelo predominante=Grava Limosa

Valor promedio de CBR=24.25 %

Valor del CBR mximo

=38 %

Valor del CBR mnimo

=5 %

CBR de Diseo

=9.52 %

Tramo Homogneo N 02 (Km.2+400 Km7+000),*



Valor del CBR mximo

=22.5 %

Valor del CBR mnimo

=4.5 %

CBR de Diseo(al 75%)=5.0%

* Es importante sealar que el trfico vara desde el desvo a Chilca (Km 4+ 170) hacia el final del tramo.

Tramo Homogneo N 03, (Km. 7+000-Km 36+000)



Valor del CBR mximo

=53 %

Valor del CBR mnimo

=4.2 %

CBR de Diseo(al 75%)=12 %

Tramo Homogneo N 04 (Km. 12+200-Km. 13+200)



Valor del CBR mximo

=55 %

Valor del CBR mnimo

=15.4 %

CBR de Diseo(al 75%)=19 %

2.1.4Datos de Diseo del Pavimento

Perodo de diseo de 10 aos

Tasa de Crecimiento anual para vehculos ligeros 5.0%, mnibuses 4.5% y camiones de 4.0 %

Factores de carga.

Factores de Presin neumtica.

Indice Medio Diario (IMD) segn estaciones

Repeticiones de Ejes Equivalente segn estaciones

Indice de Serviciabilidad terminal = 2.00

Valor Relativo de Soporte (CBR): Segn Secciones Homogneas

2.2 Consideraciones Generales para el Diseo de PavimentosPara el presente Proyecto se ha adoptado el Mtodo recomendado por la AASHTO-1986-1993; que cuenta con algunas modificaciones del mtodo AASHTO1981.

Sin embargo se han contrastado tambin con los resultados obtenidos por el mtodo del Instituto del Asfalto y el mtodo por congelamiento del Cuerpo de Ingenieros de EE.UU, dada la accin de las heladas en un sector del tramo en estudio (km 20+000 km 55+000).

2.2.1Diseo de Pavimentos Flexibles (Mtodos AASTHTO 1993)

El mtodo AASHTO-1986-1993 incluye, a diferencia del ao 1981, los siguientes parmetros:

Mdulo de Resilencia efectivo del material de fundacin

(MR)

Para la obtencin del Mdulo Resilente se ha aplicado la relacin de Heukelom y Klomp, aplicable par suelos con CBR menores o iguales a 10 % (MR = CBR*1500); y para aquellos suelos con valores que superen este valor, se ha aplicado la correlacin entre valores de CBR, Coeficiente Estructural, Valor R, Ensayo Triaxial de Texas, y el Mdulo propiamente dicho.

Aplicaciones de Ejes simples de Carga Equivalente

N8.2 Nivel de Confiabilidad Seguridad para Arterias y/o Carreteras Principales

Factor que muestra el grado de confianza al proceso de diseo que garantice el rendimiento del Pavimento proyectado. Adoptndose para el presente proyecto una Confiabilidad ( R ) de 95 %, correspondiente a Arterias principales y colectoras.

Desviacin Standard total, para Pavimentos flexibles

(So)

Variacin total del Indice de Serviciabilidad

((PSI = pt p)

El Indice de serviciabilidad terminal se considera igual a 2.0, valor que indica la necesidad de Rehabilitar la Carretera, para lo cual ser necesario efectuar evaluaciones peridicas, tanto Superficial como Estructural (Rugosidad, Deflectometra, respectivamente), a fin de obtener la base de datos con las cuales se establecern las medidas correctivas para asegurar la Durabilidad de la misma.

Coeficientes de Drenaje

mi

Los valores empleados en la determinacin de los espesores de las capas del pavimento corresponden a la capacidad del material granular a drenar fcilmente, el cual depende bsicamente de su composicin granulomtrica.

Periodo de Diseo

n

El perodo diseo empleado para la obtencin de las estructuras del pavimento es de 10 aos, el cual incluye labores de conservacin y mantenimiento tanto rutinario como peridico.

Para obtener el nmero estructural se emplearon los siguientes datos:

MR = Segn cada Tramo Homogneo

N8.2 =Estacin 1A 2.22 x 10 ^5 Rep.

Estacin 1B 1.16 x 10 ^5 Rep.

R = 95% (nivel de seguridad para arterias principales)

ZR =1.645

So =0.45 (Desviacin standard; para pavimentos flexibles)

Pt = 2.0 (Indice de Serviciabilidad terminal)

(Psi=4.2 2.0 = 2.2

Empleando la siguiente ecuacin:

SN=a1D1+ a2 D2 m2 + a3 D3 m3

Donde SN es el nmero estructural, a1, a2 y a3 son los coeficientes estructurales de las capas de mezcla asfltica en caliente, base granular y sub-base granular respectivamente D1, D2 y D3 los espesores de las capas del pavimento y m2 y m3 los coeficientes de drenaje de base y sub-base granular respectivamente.

En base a los anlisis granulomtricos y a las caractersticas fsico mecnicas de los materiales, se asume para los coeficientes de drenaje m2 y m3 el valor 1.00 cuando la estructura de pavimentos est sometida a niveles prximos a la saturacin durante un tiempo que oscila del 5% a 25% de todo el ao, como es nuestro caso.

Empleando el Nomograma adjunto en el anexo obtenemos los Nmeros Estructurales para cada uno de los tramos Homogneos:

Tramo Homogneo N 01 (Km. 00+000 Km. 2+400))

SN

= 2.475

D1 (Carpeta Asfltica) = 7.60cm.

D2 (base granular)=20.00cm.

Tramo Homogneo N 2, (Km.2+400 Km 7+000)

SN

= 3.075



D3 (sub-base granular)=15.00cm.

Tramo Homogneo N 03, (Km. 7+000-Km 36+000)

SN

= 2.475



Tramo N 4 (Km. 36+000 - Km. 84+500)

SN

= 2.475



2.2.2METODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO

Para la obtencin de los espesores de las capas conformantes del pavimento se debe contar con los siguientes parmetros:

Mdulo de Resilencia de la Sub rasante (MR en psi)

Temperatura Media Anual del Aire(MAAT)

Nmero de Ejes equivalentes Standard (ESAL)

Espesor de Base Granular no tratada (sin agente estabilizador)

Factor Carril

(Va de 2 carriles)

Empleando las Temperaturas medias anuales del aire, y el espesor de base Granular probable se determina los espesores mnimos de Mezcla Asfltica en Caliente. (Ver Nomograma as como los espesores finales de Base y sub-base)

Es de indicar que el Mtodo del Instituto del Asfalto para Diseo de Pavimentos contempla espesores grandes de Concreto Asfltico como se indica en la tabla siguiente:

N8.2Condiciones del TrnsitoEspesor mnimo de Concreto Asfltico

=< 10 ^ 4Trnsito liviano en reas de Parqueo, calles y caminos Rurales.75 mm

10 ^ 4 10 ^ 5Trnsito de Camiones Medianos100 mm

> 10 ^ 6Trnsito de Camiones pesados>= 125 mm

Por esta razn el mtodo del Instituto del asfalto no se ha considerado en el Diseo de Pavimentos adoptado.

2.2.3DISEO DE PAVIMENTOS POR CONGELAMIENTO

(Cuerpo de Ingenieros de los EE.UU. )

Para la obtencin de los espesores del pavimento, se determina el Indice de Congelamiento (Ic), basado en los registros termomtricos, obtenidos en nuestro estudio, de estaciones anlogas ubicadas en similar condiciones hidrometereolgicas y de altitud.

Estacin SENAMHI LAMPAS ALTO (Recuay Catac)

Latitud

10 07 S

Longitud

77 14 W

Altitud

4030 msnm

DepartamentoAncash

Estacin SENAMHI COCHAQUILLO (Lima - Oyn)

Latitud

10 48 S

Longitud

76 04 W

Altitud

4400 msnm

DepartamentoLima

Una vez determinado el Indice de Congelamiento (Ic), se emplean en los grficos adjuntos en el anexo, obtenindose los siguientes espesores:

Mezcla Asfltica en Caliente de superficie7.5 cm

Base Granular anticongelante

20.0 cm

Sub base drenante

25.0 cm

El detalle del clculo de espesores se encuentran sintetizado en el Cuadro N 10.2.3 de Diseo por congelamiento, as como tambin, los registros y grficos termomtricos, basados en los datos obtenidos tanto en campo como en la Estacin del SENAMHI.

Se ha definido el subtramo comprendido entre el Km 20+500 y el Km 60+600 que por su altitud (superior a los 3500 msnm) se hace imprescindible el empleo de las capas de Base Granular y Sub base Granular no suceptibles al fenmeno de congelamiento, lo que recae bsicamente en el contenido de partculas finas limo arcillosas menores a 0.074 mm., y su capacidad a drenar fcilmente y por consiguiente evitar el congelamiento; por lo que los materiales debern encuadrarse en las siguientes Especificaciones Tcnicas especiales granulomtricas:

Capa

Base Granular

Sub Base

Anticongelante

Drenante

2

100

1

100

-

1

70 100

-

60 90

-

3/8

45 75

45 70

N 04

30 60

-

N10

25 50

25 50

N40

7 30

-

N200

0 5

0 - 5

Adems se tendrn presentes los requerimientos exigidos por el Instituto del Asfalto que son los siguientes:

Ensayos

Unidad

Sub Base

Base Granular

CBR

%

Mnimo 20

Mnimo 80

Lmite Lquido

%

Mximo 25

Mximo 25

Indice Plstico

%

No plstico

No plstico

Equivalente de Arena%

Mnimo 25

Mnimo 35

< N 200

%

Mximo 5

Mximo 5

Por otro lado las canteras recomendadas, debern adecuarse al huso granulomtrico recomendado inclusive realizando los tratamientos pertinentes, tales como; Zarandeo (separar agregado grueso y fino), Triturado, y Mezclado en la proporcin conveniente, incidiendo en el contenido de finos pasantes del Tamiz N200.

2.3Anlisis de la Influencia de temperaturas

Caracterizacin Meteorolgica

Se han tomado registros termomtricos a diferentes profundidades en calicatas ubicadas convenientemente, a fin de verificar hasta que profundidad se detecta la temperatura de congelamiento; sin embargo dada la temporada estacional de la toma de datos no fue posible registrar temperaturas bajo cero. Por otro lado se registr tambin la temperatura ambiente. Ver cuadro adjunto en el anexo. As tenemos que las temperaturas mnimas se registran, sobre todo entre las 00:00 horas y las 06:00 horas, situacin que consideramos va a influir de manera importante en el comportamiento del pavimento diseado, dado que la temperatura es un factor que en el rango inferior, provoca la rigidizacin de la carpeta asfltica. El asfalto a baja temperatura se torna quebradizo y se fisura fcilmente, ante el paso de las cargas pesadas de Trfico.

Como resultado del anlisis del posible efecto de las temperaturas frgidas en el comportamiento del pavimento, se estima que la influencia de las temperaturas extremas no supera los 60 cm.

Por otro lado la caracterstica bsica exigida para los materiales tanto de base granular como sub base granular, recae sobre el contenido de partculas finas de naturaleza limo arcillosa (pasante del tamiz n200), la que deber tender a cero. El material de Base Granular deber ser una capa anticongelante y el material de la Sub base granular deber ser una capa drenante.

Consideraciones para Pavimentos a Construirse en zonas de Altura (Superiores a 3500 m.s.n.m.). -

Los pavimentos a construirse en zonas ubicadas en alturas superiores a 3500 m.s.n.m. tienen un tratamiento especial desde el punto de vista constructivo y de permanencia del mismo ya que se encuentran sujetos a elevadas gradientes trmicas que originan el fenmeno de congelamiento y deshielo. Se producen variaciones volumtricas importantes por lo general a nivel de Subrasante, y en la superficie Asfltica.

Por lo tanto los principales aspectos a tomarse en cuenta son los siguientes:

Seleccin de un tipo adecuado de Ligante Asfltico, dependiente de la temperatura ambiente. Para el proyecto se considera ideal el empleo de Cemento Asfltico de 120 150 (0.01mm) de penetracin, de acuerdo a la recomendacin del Instituto del Asfalto.

Condicin de Temperatura

(Promedio ambiente anual)Grado del AsfaltoGrado del Asfalto

Fro, =< 7 CAC 5

AR 2000

PEN 120 150AC 10

AR 4000

PEN 85 100

Clido, de 7 C 24 C

AC 10

AR 4000

PEN 85 100AC 20

AR 8000

PEN 60 70

Muy Clido, >= 24 CAC 20

AR 8000

PEN 60 70AC 40

AR 16000

PEN 40 50

Para la seleccin del tipo de Ligante, es que un Ligante con una penetracin y viscosidad alta, ofrece una adecuada flexibilidad en condiciones en que las temperaturas ambiente se encuentren muy bajas, las cuales originan fisuraciones a temprana edad, teniendo en cuenta que, en la etapa del proceso constructivo, parte de los componentes del Ligante se volatilizan. Por esta razn debe contemplarse que en la etapa de servicio del pavimento se realicen labores de mantenimiento peridico, consistentes en efectuar tratamientos de fisuras, y as evitar la propagacin de las mismas a niveles de las capas subyacentes, con el consiguiente debilitamiento por infiltracin de las aguas.

Toda remesa de Cemento Asfltico a recepcionarse en Obra deber contar con la Certificacin Actualizada de Control de Calidad, la cual deber ser verificada en laboratorio de Obra, principalmente en lo referente a la penetracin del asfalto.

Los espesores de mezcla Asfltica debern ser por lo menos de 7.5 cm, Para evitar enfriamientos bruscos, los cuales pueden originar una compactacin inadecuada y el consiguiente fisuramiento prematuro. Siendo lo ms indicado reducir las horas de trabajo cundo las temperaturas sean menores a 10C, y cuando haya rfagas de viento.

Evitar los sobrecalentamientos de la Mezcla asfltica, ya que esto produce la prdida de la caracterstica principal de ser un Ligante termoelstico, y la consiguiente oxidacin del asfalto, para lo cual deber contarse con la curva Viscosidad Temperatura, para obtener el rango de temperaturas de trabajo.

Por otro lado deber considerarse la reduccin del contenido de vacos en la mezcla compactada ( 2% ), y por consiguiente el contenido de Ligante Asfltico deber tender al mximo posible, siempre que est encuadrado dentro de los requerimientos exigidos para mezclas Asflticas en caliente (Diseo Marshall).

2.4 BERMAS

La superficie de las bermas quedarn a nivel de base granular imprimada, durante los primeros dos aos de su puesta en servicio. Culminado este perodo previo trabajo de reconformacin de la base granular, ests sern recubiertas con carpeta asfltica en caliente de borde a borde.

2.5CONCLUSIONES

El tramo en estudio, posee sectores homogneos desde el punto de vista de los suelos de sub-rasante que lo conforman y de su valor de capacidad de soporte.

Se han obtenido cuatro sectores homogneos con valores de CBR de 9.52; 5; 12 y 19 % respectivamente, los mismos que fueron obtenidos mediante mtodos estadsticos dentro de los cuales se incluyen el Mtodo Japons y el Mtodo del Instituto del Asfalto considerando la aplicacin de percentiles, en nuestro caso se utiliz 75% en concordancia con los ejes equivalentes obtenidos.

Se ha tenido especial cuidado en el sector Km 20+500 Km 60+600 el mismo que est expuesto al a accin de las heladas, para cuyo efecto se ha considerado un diseo de pavimentos por congelamiento, dado que las bajas temperaturas que se presentan en ese sector , tienden a rigidizar la carpeta asfltica, la misma que se tornara quebradiza con su consiguiente fisuracin.

El gradiente trmico en este sector es de magnitud importante, pudiendo generar diariamente cambios volumtricos (contraccin dilatacin) en el interior del cuerpo del asfalto, lo que a su vez producira esfuerzos de traccin y compresin provocando finalmente su falla por fatiga.

De la comparacin de las metodologas empleadas para el diseo de pavimentos, se ha adoptado la de la Gua AASHTO, a excepcin del subtramo suceptible a las heladas, donde se mantiene el diseo por congelamiento. Es as que finalmente se obtienen los siguientes diseos tpicos:

Diseo Tpico N1

Km. 1 + 000 Km. 2 + 400; Km. 7 + 000 Km. 20 + 500 y

Km. 60 + 600 Km. 84 + 469

SN

= 2.475


D2 (base granular)

=20.00cm.

Diseo Tpico N 2

Km. 2 + 400 Km. 7 + 000

SN

= 3.075


D2 (base granular)

=20.00cm.

D3 (Sub-base granular)=15.00cm.

Diseo Tpico N 3 (Diseo por Congelamiento)

Km. 20 + 500 Km. 60 + 600

SN

= 3.475D1 (Carpeta Asfltica) = 7.60cm.

D2 (base granular)

=20.00cm.

D3 (Sub-base granular)=25.00cm.

CUADRO N 10.2.1

CUADRO DE TRAMOS HOMOGENEOS DE CBR y DISEOS TPICOS DE PAVIMENTOS

Tramo Homogneo1234

Km. a Km.1 + 000 - 2 + 4002 + 400 - 4 +1704 + 170 -

7 + 0007 + 000 - 20 + 50020 + 500

36 + 00036 + 000 60 +600060 + 600

84 + 469

Longitud Km.2.44.613.515.530.018.47

CBR diseo9.525.0012.0019.00

Ejes equivalentes Standard1.481 x 10 51.305 x 105

MAC (cm)7.67.67.67.67.6

Base Granular (cm)2020202020

Sub Base Granular (cm)-15-25-

ESTUDIO DE SUELOS, CANTERAS Y FUENTES DE AGUA

2.0 DISEO DE PAVIMENTOS Y SECCIONES TIPICAS

U.A.

IMD2xEE2 + IMD3xEE3 + IMDtxEEt

EAL =

365

2

(1+rc)i

I=P.A.

EMBED Excel.Sheet.8

Estudio de Suelos

UNFV-FICCarretera OLLANTAYTAMBO QUILLABAMBA KITENI

Mecnica de Suelos Aplicado a Vas de Transportes.

_1003918229.xlsHoja1

CUADRO DEFINITIVO DE ESPESORES DE PAVIMENTO

TRAMO12345

Km - Km1 + 000 - 2 + 4002 + 400 - 7 + 0007 + 000 - 20 + 50020 + 500 - 60 + 60060 + 600 - 84 + 469

Longitud (Km)1.4004.60013.50040.10023.870

Modulo Resiliente14,2807,50015,00015,00015,000

Ejes Equival. Standard1.481 x 10 51.481 x 10 51.305 x 10 51.305 x 10 51.305 x 10 5

1.305 x 10 5

Carpeta Asfaltica (Cm)7.67.67.67.67.6

Base Granular (Cm)2020202020

Sub base Granular (Cm)-15-25-

Nmero Estructural2.4753.0752.4753.4752.475

Hoja2

Hoja3

Mecanica de Suelos Aplicado a Vias de Transporte

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