Post on 31-Jan-2016
description
PAVIMENTOSPAVIMENTOS
•• Concepto y Tipos de pavimentosConcepto y Tipos de pavimentos•• Estructura de los pavimentosEstructura de los pavimentos•• DiseDiseñño de pavimentoso de pavimentos•• MMéétodos de disetodos de diseñño de pavimentoso de pavimentos•• C.B.R.C.B.R.•• MMóódulo dulo ResilienteResiliente•• MMéétodos y Pruebas de campotodos y Pruebas de campo
COMPACTACICOMPACTACIÓÓN DE SUELOSN DE SUELOS
Concepto de Pavimento
Estructura conformada por un conjunto de capas (multicapa) destinada a:– resistir y distribuir a la capa de fundación (subrasante) los esfuerzos verticales producidos por el tráfico
– resistir los esfuerzos horizontales haciendo más durable la superficie de rodamiento
– mejorar las condiciones de rodamiento en cuanto a comodidad y seguridad
Peculiaridades del Pavimento como Estructura
• Estructura Multicapa: diferentes capas de materiales con propiedades mecánicas diferentes
• Estructura en faja: ancho y alto "finito"; largo "infinito"
• Cargas de tránsito: efecto destructivo variable; previsión de evolución y vida útil aproximada; intemperización y degradación de capas superiores afectan integridad de pavimento
• Clima es un factor preponderante
• Falla de pavimento: Fatiga causada por efecto de carga de tránsito (cargas cíclicas) e intemperismo
• Vida útil pequeña
Tipos de Pavimentos según solicitaciones
• Pavimentos Autoviarios– Carga de tránsito baja, variable (camiones, ómnibus, autos, etc.)– Intensidad de tránsito variable: Alto volumen de tránsito; Bajo volumen de tránsito
• Pavimentos Aeroportuarios– Carga de tránsito pesada– Cargas dinámicas (impacto) en zona de aterrizaje– Intensidad de transito menor que pavimentos de alto volumen de tránsito
• Pavimentos Ferroviarios– Carga de tránsito alta– Transmisión de carga a través de durmientes (carga lineal transversal)
Tipos de Pavimentos según estructura
• Pavimentos Autoviarios y Aeroportuarios
– Flexibles: revestimiento bituminoso (mezcla asfáltica)
– Rígido: revestimiento de hormigón (losas)
Base
Revestimiento bituminoso
Sub-baseSubrasante
Pavimento Flexible Pavimento Rígido
Carpeta de hormigón
Sub-base
Subrasante
Paquete Estructural
Carpeta AsfCarpeta Asfáálticaltica
BaseBase
SubSub--basebase
Función estructural de cada capa
• Revestimiento: Recibe directamente las cargas de tránsito. Resiste esfuerzos rasantes (horizontales) y proporciona superficie de rodamiento adecuada
• Base: Resiste y distribuye esfuerzos normales (verticales)
• Sub-base: Complementaria de Base (por economía) o Correctiva de Subrasante (transición)
• Subrasante: Capa de fundación de la estructura del pavimento. Resiste esfuerzos normales sin grandes deformaciones
Métodos de Diseño de Pavimentos
• Empíricos: Basados en parámetros que correlacionan propiedades físicas de los materiales
– Relación Soporte de California (CBR)
– Coeficiente de Balasto
• Mecanísticos: Basados en análisis de comportamiento mecánico de los materiales
– Teoría de Elasticidad (Boussinesq, Burmister)
– Módulos Elásticos
Métodos de Diseño de PavimentosRelación Soporte de California (CBR)
• Porter (1929): Ensayo de medida de la capacidad soporte, denominado Índice Soporte de California (California BearingRatio, CBR)
• Ensayo mide:– Resistencia a la penetración por punzonado de un vástago en una muestra de material compactado en un molde rígido
– Expansión
Pistón de cargacomparador
suelo
molde
carga
Introducción CBREnsayo Proctor:Permite determinar las mejores condiciones de uso para un material dado
W1, PUS1
Wopt, PUSmáx
W2, PUS2
W3, PUS3
W4, PUS4
W5, PUS5
W1W2
W3 W4 W5
PUS2
PUS4
PUS5
PUS3
PUS1
discoespaciador
Relación Soporte de California (CBR)Compara el material elegido con un material patrón
1)Se compactan 3 moldes a la humedad óptima Proctor, a densidadesDiferentes, 12, 26 y 55 golpes por capa
Wopt
PUS56
Wopt
PUS25
Wopt
PUS12
2)Se invierten los moldes y se coloca papel filtro, se colocan “pesas” que pavimento. Se inmerge en agua hasta saturación (4 días)
Papel filtro
Ingreso de agua por cara inferior calada
Ingreso de agua por cara superior papel filtro
Relación Soporte de California (CBR)Compara el material elegido con un material patrón
3)Se extraen de a uno los moldes y se ensayan a compresión
4)Se grafican los resultados de tensión deformación y se comparan con los de la muestra patrón (piedra partida de California)
Wopt
PUS56
Wopt
PUS25
Wopt
PUS12
CBR
• Relación entre la tensión necesaria para penetrar 0,1 in (0,25 cm) un material dado y la tensión necesaria para la misma penetración en un material arbitrario, adoptado como patrón
100(%)"1,0
"1,0⋅=
patrón
muestraCBRσ
σ
• Material Patrón: Piedra triturada de California de la que se conoce las tensiones asociadas a penetraciones preestablecidas
Tensión – Penetración del Vástago para muestra patrón
703,0100
3,70(%) "1,0"1,0 muestramuestraCBR
σσ=⋅=
70,3
105,5
133,6
161,7
182,0
020406080100
120140160180200
0,0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 0,4 0,5 0,5
Penetración (in)
Tensión (kg/cm2)
Muestra Patrón Muestra Ensayada
Tensión – Penetración del vástago para muestra patrón
2600182,00,51,25
2300161,70,41,00
1900133,60,30,75
1500105,50,20,50
100070,30,10,25
lb/pulg2kg/cm2pulgadascm
Tensión aplicadaPenetración
Ensayo de CBRASTM D1883; AASHTO T193
• 3 muestras compactadas con diferentes energías, en moldes de 6 in, a humedad óptima de Ensayo Proctor Modificado
– 12 golpes por capa
– 25 golpes por capa
– 56 golpes por capa (PUSM)
• Muestras se sumergen en agua 4 días con sobrecargas (“saturación de muestras”)
• Se mide expansión en 4 días
• Probetas saturadas se cargan por punzonado en prensa
– Vástago de 3 in2 (19,4 cm2)
– Velocidad de penetración 0,05 in/min (0,127 cm/min)
Ensayo CBRCurva Tensión - Penetración
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 0,350 0,400 0,450 0,500
Penetración (in)
Tensión (kg/cm2)
12 Golpes 25 Golpes 56 Golpes
Se compara CBR0,1" y CBR0,2" adoptándose valor mayor
Ensayo CBRCurva CBR–Peso específico seco y CBR–Humedad de Compactación
Ensayo CBRCurva CBR – Peso Específico Seco
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
17,5 18,0 18,5 19,0 19,5 20,0 20,5
PUS (kN/m3)
CBR (%) PUSM
Ensayo CBRCurva CBR – Peso Específico Seco
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
17,5 18,0 18,5 19,0 19,5 20,0 20,5
PUS (kN/m3)
CBR (%) PUSM
Material 1 Material 2
Material 3
Crítica del Ensayo CBR
• Condición saturada: – Se alcanza en materiales granulares (arenas y gravas)– No se alcanza en materiales finos (arcillas y limos)
• Condición del ensayo:– Drenado para materiales granulares– No drenado para materiales finos
• Se comparan materiales ensayados en condiciones diferentes
Pistón de cargacomparador
suelo
molde
carga
Crítica del Ensayo CBR
• CBR es un número que carece de significado físico
– "CBR no es una medida directa de la capacidad soporte de los materiales" (Porter, 1950)
– "CBR no es más que un simple ensayo de corte, siendo útil como indicador de la resistencia al corte de los suelos" (Turnbull, 1950)
– "CBR debe ser considerado como un ensayo indicativo de resistencia al corte... principios de diseño de pavimentos están basados en prevención de la falla al corte de las subrasantes de los pavimentos" (Simposio de la ASCE, 1950)
Crítica del Ensayo CBR
• Método de compactación en ensayo ≠ Método de compactación de campo (estructuras distintas)
• Método de aplicación de carga de ensayo (estático) ≠Aplicación de carga real al pavimento (tránsito) => respuestas mecánicas diferentes
• Parámetro de diseño de pavimentos sencillo y rápido pero que conduce a estructuras sobredimensionadas
Parámetros Mecánicos de Diseño de Pavimentos
εa (%)
Módulo Tangente
Módulo Secante
Parámetros Mecánicos de Diseño de Pavimentos
• Comportamiento no lineal de los suelos y materiales granulares• Es posible definir "módulos de deformabilidad": Módulo tangencial y Módulo secante– Variables en función del nivel de tensiones y deformaciones– Para niveles de deformación muy bajos módulo tangencial ≈módulo secante
– Cuanto menor el nivel de deformación mayor valor modular (rigidez)
Parámetros Mecánicos de Diseño de Pavimentos
• Carga de tránsito
– Tensiones relativamente bajas � Deformaciones bajas
– Tiempo de aplicación de carga casi instantáneo
– Carga de intensidad gradual y de aplicación cíclica
• Módulo de deformabilidad recuperable representa adecuadamentecomportamiento real de materiales de pavimento
Parámetros Mecánicos de Diseño de Pavimentos
• Hveem (1955): Fisuras progresivas de revestimiento asfáltico se debe a deformación "resiliente" (elástica) de capas subyacentes, especialmente subrasante
– Utiliza Resiliente por Elástico para diferenciar
– En realidad Resiliencia es una energía potencial de deformación (similar a la del resorte)
Ensayos de Cargas Repetidas o Cíclicas
• Simular condiciones reales: Cargas de tránsito ⇒ Ensayo de carga repetida (cíclico)– Carga de compresión aplicada en un mismo sentido– Intensidad de carga gradualmente variable desde cero hasta máximo y vuelta a cero
– Tiempo pequeño de aplicación de carga (fracción de segundos)
• Reproducción de condiciones reales– Amplitud = carga de vehículo (rueda)– Tiempo de pulso = velocidad de vehículo– Frecuencia de aplicación = volumen de tránsito
Ensayos de Cargas Cíclicas
• Deformación recuperable (Resiliente): εr• Deformación permanente (Plástica): εp• En primeros ciclos Módulo sufre pequeñas variaciones cada vez menores, hasta hacerse constante
Módulo resiliente (MR)
q: Tensión desviadora (σ1 − σ3)
εr: Deformación resiliente axial (vertical)r
R
qM
ε=
0r h
h∆=ε
∆h: Deformación vertical máximah0: Altura inicial de la muestra
prt ε+ε=ε
εp: Deformación permanente muy pequeña
Tipos de Ensayos de cargas cíclicas
• Ensayo Triaxial cíclico (Seed et al., 1955): Suelos y Materiales granulares– Desarrollado durante el estudio de la deformabilidad de las subrasantes de la pista experimental de AASHTO (Illinois)
– Similar a Triaxial convencional:• Presión de cámara (σ3): agua o aire• Tensión desviadora (σd): cíclica• Estado de tensiones principales• Resultados en tensiones totales
– Normalizado: AASHTO T 274-82
• Ensayo de Compresión diametral cíclico (Schmidt, 1972): Mezclas Asfálticas y Materiales Cementados
Efecto del Peso específico y de la Humedad de Compactación en el Módulo Resiliente de materiales finos
Ensayos de Campo
• Basados en parámetros empíricos (para suelos)– CBR in situ (ASTM D 4429)– Prueba de Carga de Placa– Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP)
• Basados en parámetros mecanísticos (deflexiones)– Viga Benkelman– Deflectógrafo de Lacroix– Deflectómetro de Caída de Pesa (FWD)
Prueba de Carga de Placa (McLeod, 1948)
• Módulo de reacción de subrasante (k):
σ: tensión que transmite placa al suelo
∆: deformación fijada previamente
∆=
σk
Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP)
Mango de agarre
Masa de 8 Kg
Cono
Regla demedida
Tope
1935 mm
575 mm
3 mm
20 mm
Puntaendurecida
a 60º
• Espesor de capas, peso específico, resistencia a la penetración
• Pesa de 8 kg• Caída libre de 575 mm• Índice de Penetración (IP)
∆: Penetración del conoN: Número de golpes
NIP
∆=
Viga Benkelman (Benkelman, 1953)
• Deflexión por Recuperación elástica
• Camión con 8,2 ton (80 kN) en eje trasero y 80 psi (550 kPa) de presión de inflado de ruedas
Viga Benkelman
Deflectógrafo de Lacroix (LCPC)
• Deflexión máxima por carga transmitida por dos pares de ruedas• Medidas automáticas por palpadores colocados en trineos • Medidas casi continuas
Deflectómetro de Impacto (Falling Weight Deflectometer)FWD (Sorensen & Hayven, 1982)
• Deflexión por carga de impacto producida por pesos que caen sobre placa apoyada en pavimento
• Medidas automáticas por sensores de velocidad • Simula carga de tránsito a velocidad de 70 – 80 km/h