Capítulo II :

Caracterización de los Materiales

Ing. Johny Bendezu Acero

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Sylabo

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II. CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES

2.1 Suelo de fundación

2.2 Bases y sub bases

2.3 Materiales bituminosos

2.4 Concreto

2.1 Suelo de fundación y subrasante

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Suelo de fundación Se denomina suelo de fundación a la capa del suelo bajo la

estructura del pavimento, preparada y compactada como fundación para el pavimento. Se trata del terreno natural o la última capa del relleno de la plataforma sobre la que se asienta el pavimento.

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Trabajo en campo

Con el objeto de determinar

las características físico-

mecánicas de los materiales

de la subrasante se llevarán

a cabo investigaciones

mediante la ejecución de

pozos exploratorios o

calicatas de 1.5 m de

profundidad mínima

(respecto del nivel de

subrasante del proyecto).

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Trabajo en campo

El espaciamiento varia de

100 m en zonas urbanas a

150 – 500 m en carreteras.

Las calicatas permiten

extraer muestras alteradas

que serán remoldeadas en

el laboratorio, también

permiten obtener muestras inalteradas.

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Perfil estratigráfico

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Trabajo en laboratorio

Todas las muestras representativas obtenidas de los estratos de las

calicatas del suelo de fundación deberán contar con los siguientes

ensayos:

Análisis granulométrico por tamizado.

Límites de consistencia: Límite líquido, límite plástico e índice de

plasticidad.

Clasificación SUCS.

Clasificación AASHTO.

Humedad Natural.

Equivalente de arena

C.B.R./Modulo de reacción de la sub rasante

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Análisis Granulométrico por Tamizado

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Limites de consistencia

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Índice Plástico (IP)

Es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico de un suelo. ASTM D-424.

Indica el intervalo de humedades entre las cuales el suelo se comporta como un material plástico, es decir mide la plasticidad del suelo.

Un límite líquido alto indica una alta elasticidad del suelo.

Un valor muy alto del índice plástico significa una alta probabilidad de hinchamiento.

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IP = LL – LP

Se debe tener en cuenta que, en un suelo el contenido dearcilla, de acuerdo a su magnitud puede ser un elementoriesgoso en un suelo de subrasante y en una estructura depavimento, debido sobre todo a su gran sensibilidad al agua.

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Propiedades índice del suelo y su relación con el potencial de expansión (Bureau of Reclamation 1998)

Grado de expansión

Datos de ensayos índice* Estimación de probable expansión, **porcentaje de cambio de volumen total (condición seco a

saturada)

Índice Plástico

Limite de contracción

Contenido de coloides, porcentaje

menor 0.001 mm

Muy Alto ˃35 ˂11 ˃28 ˃30

Alto 25 a 41 7 a 12 20 a 31 20 a 30

Medio 15 a 28 10 a 16 13 a 23 10 a 20

Bajo ˂18 ˃15 ˂15 ˂10

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EL ensayo de equivalente de arena permite una rápida determinación del contenido de finos del suelo, dándonos además una idea de su plasticidad.

Equivalente de Arena

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Clasificación de suelos

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Humedad Natural

Porcentaje de peso de suelo ocupado por agua

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La resistencia de lossuelos de subrasante, enespecial de los finos, seencuentra directamenteasociada con lascondiciones de humedady densidad que estossuelos presenten.

Humedad Natural

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Perfil estratigráfico

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ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR)

Relación entre la presiónnecesaria para penetrar unmaterial 0,25 cm (0,1 pulg )y la presión para tener lamisma penetración en unmaterial adoptado comopatrón.

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ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR)

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El asumido mecanismo de falla del suelo generado por el pistón de 19.4 cm2 en el Ensayo C.B.R. La condición de frontera es un problema.

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CBR es un número que carece de siginificado físico Porter (1950): « CBR no es una medida directa del valor

soporte de los materiales » Turnbull (1950): « CBR no es más que un simple ensayo de

corte, siendo útil como indicador de la resistencia al corte delos suelos »

Simposio de la ASCE (1950): « CBR debe ser consideradocomo un ensayo indicativo de resistencia al corte... principiosde diseño de pavimentos están basados en prevención de lafalla al corte de las subrasantes de los pavimentos »

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CBR

CBR in-situ

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CBR de la Subrasante

CBR(%)Clasificación

GeneralUsos

Sistema de Clasificación

SUCS AASHTO

0.0–3.0 Muy pobre -- OH, CH, MH, OL A-5, A-6, A-7

3.0–7.0 Pobre a regular -- OH, CH, MH, OL A-4, A-5, A-6, A-7

7.0–20.0 Regular SubrasanteOL, CL, ML, SC,

SM, SPA-2, A-4, A-6, A-7

20.0–50.0 BuenoSub Base,

Base

GM, GC, SW,

SM, SP, GP

A-1-a, A-2-5, A-3, A-2-

6

> 50.0 Excelente Base GW, GM A-1-a, A-2-4, A-3

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Potencial de

Expansión

Índice de

Plasticidad

Potencial de

Expansión (%)

Límite de

Contracción

Muy alto >32.0 > 25.0 < 10.0

Alto 23.0 – 32.0 5.0 – 25.0 6.0 – 12.0

Medio 12.0 – 23.0 1.5 – 5.0 8.0 – 18.0

Bajo < 12.0 0.0 – 1.50 > 13.0

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La siguiente es una clasificación según Holtz y Gibbs (Bureau

of Reclamation de los E.U.A.)

En caso la subrasante sea clasificada como pobre (CBR < 6%), se procederá a eliminar el material inadecuado y se colocará un material granular con CBR mayor a 10%.

En caso de encontrarse suelos saturados o blandos, o napa freática alta (cercana al nivel de subrasante), el proyectista definirá las medidas de estabilización (cambio de material, adición de roca, pedraplen, etc.), especificando material relativamente permeable y diseñando los elementos de drenaje y/o subdrenaje que permitan drenar el agua.

En zonas sobre los 3,000 msnm se evaluará la acción de las heladas en los suelos.

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CBR de la subrasante

Excavación y recompactación controlando la densidad y

la humedad

Mejora mecánica (mezclando con un material mas

grueso)

Excavación y reemplazo con relleno seleccionado

Estabilización (con cal, cemento, cal-cenizas volantes,

asfalto)

Refuerzo con geosinteticos

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Mejora de la Sub-rasante

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Mejora de la Sub-rasante

El módulo de reacción de la

subrasante k, representa la

presión de una placa

circular rígida de 76 cm de

diámetro dividida por la

deformación que dicha

presión genera.

Su unidad de medida es el Kg/cm2/cm (Kg/cm3).

Módulo de reacción de la sub-rasante (k)

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Módulo de reacción de subrasante (k)

p: presión que transmite la placa al suelo

∆: deformación fijada previamente

Módulo de reacción de la sub-rasante (k)

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El ensayo consiste en aplicar al

suelo distintos estados de carga y

registrar la deflexión producida en

ellos.

Se utiliza para evaluar la capacidad

de soporte de subrasantes, bases o

pavimentos completos.

Módulo de reacción de la sub-rasante (k)

Debido a que el ensayo correspondiente (Norma AASHTO T222-78) es lento y caro de realizar, habitualmente se calcula correlacionándolo con otro tipo de ensayos más rápidos de ejecutar, tales como la clasificación de suelos o el ensayo CBR.

Sub-rasante:

k=0.25xlog (C.B.R.)

(kg /cm3 )C.B.R.< 10 %

Sub-base granular:

k=-4.51xlog(C.B.R.)

(kg /cm3 ) C.B.R. >10 %

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Correlación de k con las Propiedades del Suelo

Tipo de suelo Densidad (g/cc) CBR (%) k (kg/cc)

A-1-a, bien gradada 2.10 – 2.35 60 - 80 8.3 – 12.5

A-1-a, pob. gradada 2.02 – 2.18 35 - 60 8.3 – 11.1

A-2-4 ó 5, gravosa 2.18 – 2.44 40 - 80 8.3 – 13.8

A-2-4 ó 5, arenosa 2.02 – 2.27 20 - 40 8.3 – 11.1

A-3 1.76 – 2.02 4.2 – 8.3 15 – 25

A-4, limo 1.51 – 1.76 4 – 8 0.7 – 4.6

A-5, limo 1.34 – 1.68 5 – 15 1.1 – 6.1

A-6, arcilla plástica 1.68 – 2.10 5 – 15 0.7 – 7.1

A-7-5, arcilla mod. plást. 1.51 – 2.10 4 – 15 0.7 – 6.0

A-7-6, arcilla alta plast. 1.34 – 1.85 3 – 5 1.1 – 6.1

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Correlación de k con CBR

Correlaciones

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Ensayos en la subrasante

Campo

Cono de penetración ligero (PDC)

FWD (Deflectometría de impacto)

Viga Benkelman

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Penetrómetro dinámico ligero de cono PDC

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Correlación de PDC y CBR

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Resultado de un ensayo PDC

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Correlaciones entre el PDC y CBR (Perú)

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FWD (Falling weight Deflectometer)

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Cuenco de deflexiones en el ensayo con FWD

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Falling Weight Deflectometer (FWD)

Falling Weight Deflectometer (FWD)

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Viga Benkelman

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Módulo de resilencia

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Estado de esfuerzos provocados en la subrasante por el paso de un vehículo en movimiento.

La sub rasante esta

sometida a un estado

de esfuerzos variable y

por ende a un estado

de deformaciones en el

momento que los

vehículos aplican las

cargas sobre la

estructura del

pavimento.

Se conoce que los materialesempleados en la construcciónde pavimentos no sonelásticos por que presentanuna deformación plásticaacumulada con cadaaplicación de carga, sinembargo si la carga esreducida con respecto a laresistencia del material, ladeformación acumulada seráreducida por ende se puedeconsiderar el material como

elástico.Pavimentos 2015 59

Módulo de resilencia

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El modulo resilente es el modulo elástico para ser empleado en la teoría elástica

Deformaciones por cargas repetitivas.

Módulo de resilencia

Deformación acumulada con el número de aplicaciones del esfuerzo desviador

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Módulo de resilencia

Como se ha observado en los estudios llevados a

cabo sobre módulo resiliente, este parámetro no es

una propiedad constante del material, sino que

depende de muchos factores. Los principales son:

número de aplicaciones del esfuerzo, tixotropía,

magnitud del esfuerzo desviador, método decompactación y condiciones de compactación.

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Módulo de resilencia

La metodología actual para diseño de pavimentos utilizada por el método AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) considera que la propiedad fundamental para caracterizar los materiales constitutivos de la sección de una carretera es el parámetro denominado módulo resiliente.

Es por ello que la selección apropiada del módulo resiliente de un material se debe de realizar con sumo cuidado, teniendo en cuenta los factores que en él influyen.

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Módulo de resilencia material granular

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Módulo de resilencia material granular

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Módulo de resilencia suelo fino

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Módulo de resilencia suelo fino

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Efecto de la presión de confinamiento en el módulo resilente

Correlaciones Módulo de resilencia

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Correlaciones Módulo de Resilencia - CBR

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Correlaciones Módulo de Resilencia

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Ecuación propuesta por la guia AASHTO:

Mr (psi) = 1500 CBR , para CBR < 10%

Para suelos finos:

Mr = 1500 x CBR; para CBR < 7.2 % (Venezuela)

Mr = 3000 x CBR0.65 para CBR de 7.2 a 20 % (Sudáfrica)

Para suelos granulares, las siguiente ecuación desarrollada con base en la

propia guía AASHTO ofrece una buena correlación:

Mr = 4326 x ln CBR + 241

MEPDG Mechanistic - Empirical Pavement

Design Guide – AASHTO interim 2008

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Modulo de resilencia efectivo (AASHTO)

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Procedimiento de calculo del modulo resilente AASHTO

NIVEL 1

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Procedimiento de calculo del modulo resilente AASHTO

Nivel 2: Correlación con otras propiedades del material

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Procedimiento de calculo del modulo resilente AASHTO

Nivel 3: Valores típicos

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Módulo resilente de diseño Instituto del Asfalto

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Ejemplo de modulo resilente de diseño Instituto del Asfalto

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El Mr de diseño de la subrasante es definido como el valor

que es menor al 60, 75 o 85.5% de todos los valores.

Nivel Freatico

El nivel superior de la subrasante debe quedar encima del nivel de la napa freática como mínimo:

a 0.60 m cuando se trate de una subrasante excelente - muy buena.

a 0.80 m cuando se trate de una subrasante buena - regular.

a 1.00 m cuando se trate de una subrasante pobre.

a 1.20 m cuando se trate de una subrasante inadecuada. En caso necesario, se colocaran subdrenes o capas anticontaminantes y/o drenantes o se elevara la rasante hasta el nivel necesario.

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Nivel Freatico

Cuando la capa de subrasantesea arcillosa o limosa y, alhumedecerse, partículas deestos materiales puedanpenetrar en las capasgranulares del pavimentocontaminandolas, deberaproyectarse una capa dematerial separador de 10 cm.De espesor como minimo oun geosintetico,

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Nivel Freatico

En zonas sobre los 3500msnm, se evaluara laacción de los friajes olas heladas en lossuelos.

En general, la acción decongelamiento estaasociada con laprofundidad de la napa

freática y lasusceptibilidad delsuelo al congelamiento.

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Subrasante The subgrade is the

natural ground, graded and compacted, on which the pavement is built.

A uniform and stable subgrade is required for long-term durability of the pavement. (In general, subgrade uniformity and stability are more important than subgrade strength for pavement performance.)

Three major causes of subgrade nonuniformity—expansive soils, frost action, and pumping—must be controlled.

Pavement subgrades may need to be improved temporarily (soil modification) or permanently (soil stabilization) through the use of additives or binders.

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More important than a strong foundation is a uniform foundation. The subgrade should have a uniform condition, with no abrupt changes in the degree of support (figure 7-1). That is, there should be no hard or soft spots. Nonuniform support increases localized deflections and causes stress concentrations in the pavement. Localized deflections and concentrated stresses can lead to premature failures, fatigue cracking, faulting, pumping, rutting, and other types of pavement distress.

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Providing reasonably uniform support conditions beneath the concrete slab requires controlling three major causes of subgrade nonuniformity:

Expansive soils.

Frost action.

Pumping. Pavimentos 2015 85