Avaliação da metodologia do USACE aplicada à análise das ...
DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE - MÉTODOS: AASHTO 93, INSTITUTO DEL ASFALTO, MECANÍSTICO EMPÍRICO...
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FACULTAD DE INGENIERÍA.
ESCUELA ACADÉMICO - PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL.
INFORME ACADÉMICO
“DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE PARA EL MEJORAMIENTO DE LA INFRAESTRUCTURA VIAL JR. APURIMAC CUADRA 03 Y 04 POR LOS MÉTODO DE
AASHTO 1993; MÉTODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO; MÉTODO MECANÍSTICO – EMPÍRICO”
MOYOBAMBA – PERÚ
2016
I. INTRODUCCIÓN
En la actualidad del S XXI, se han diseñado numerosas infraestructuras viales para la
circulación de vehículos y peatones con el fin de desplazarse de un punto a otro. Estas
innovaciones tienen por finalidad facilitar el transporte y movilización desde un
destino a otro para reducir los tiempos y costos, ya sea para el comercio, entre otros
intereses.
En la ingeniería de hoy en día, es indispensable el conocimiento y estudio de los
distintos tipos de pavimentos que conforman las anteriormente mencionadas obras
viales, ya que estas se clasifican en diferentes tipos: caminos no pavimentados y
caminos pavimentados.
El presente trabajo tiene como finalidad brindar información acerca de los distintos
métodos de diseño del pavimento flexible, aplicados al mejoramiento de la
infraestructura vial del Jr. Apurímac Cuadra 03 y 04 de la provincia de Moyobamba –
Región San Martín.
También, el informe académico tiene como objetivo aportar opiniones,
recomendaciones y explicar la importancia de los diferentes métodos de diseño
incluidos en el presente ensayo
OBJETIVO GENERAL:
- Diseñar un pavimento flexible para el mejoramiento vial del Jr. Apurimac cuadra 03 –
04 mediante distintos métodos de diseño.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
- Diseñar un pavimento flexible mediante el método AASHTO 1993.
- Diseñar un pavimento flexible mediante el método del Instituto del Asfalto.
- Diseñar un pavimento flexible mediante el método Mecanístico – Empírico.
II. DESARROLLO
1) GENERALIDADES
1.1) PAVIMENTOS, DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN
Las infraestructuras viales están compuestas por un conjunto de capas
conformadas por materiales seleccionados que se colocan sobre la
subrasante debidamente acondicionada. Al conjunto de estas capas,
destinadas a soportar el peso propio de la estructura y de las cargas
vehiculares se le denomina pavimento.
Por la forma en la que transmiten las cargas, los pavimentos se clasifican en:
Pavimentos Rígidos. Es el pavimento con losa de concreto en la superficie
de rodadura. Su rigidez permite que distribuya las cargas vehiculares
uniformemente hasta un punto determinado.
Pavimentos Flexibles. Es el pavimento con carpeta asfáltica en la
superficie de rodadura. Distribuye las cargas hacia la subrasante variando
la intensidad en distintos puntos de aplicación (no uniforme).
Pavimentos Mixtos o Intertrabados. Son los pavimentos adoquinados o
con emboquillado de piedra en la superficie de rodadura. Distribuye las
cargas de manera disforme hacia la subrasante.
Para el soporte de cargas, en adoquinados existen tres tipos de
adoquines, en donde varían los espesores de estos.
1.2) CONCEPTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS
Para el diseño de un pavimento, es necesario conocer y familiarizarse con
ciertos términos:
- Terreno de fundación. Es el terreno incluido en el derecho de vía
destinado a soportar las cargas de las capas del pavimento como las
cargas vehiculares. El terreno de fundación, según el tipo de Suelo se
clasifica en:
T.F. Pésimo. Suelos orgánicos, pantanosos o con turba.
T.F. Malo. Suelo arcilloso o limoso, muy susceptibles a la
saturación.
T.F. Regular- Bueno. Suelos de granulometría gruesa con
mezclas de material ligante, poco susceptibles a la
saturación.
T.F. Excelente. Suelos gravosos con alta capacidad de
resistencia para solicitaciones de cargas. No susceptibles
a la saturación.
- Subrasante. Es la superficie del terreno de fundación debidamente
tratada para la disposición de los materiales. Si el terreno de fundación es
de mala calidad, la superficie debe ser estabilizada químicamente, o con
mezcla de suelos con material de préstamo. Los tipos de subrasante se
clasifican de acuerdo a rangos de CBR (Ver anexo 1).
- CBR (California Bearing Ratio). Es un ensayo que determina la relación
existente entre la capacidad portante del suelo y su resistencia a la
penetración. El CBR clasifica a la subrasante según sus rangos
establecidos en porcentajes en función a la Densidad Máxima Seca (Ver
anexo 4).
- Módulo Resiliente (Mr). Es un parámetro que consiste en un análisis para
representar la capacidad portante de los materiales de fundación. Está
basado en ensayos dinámicos triaxiales cíclicos, en donde se asignan
cargas repetitivas. Se denomina resiliencia a la propiedad de un cuerpo
sólido a recuperar su forma luego de una deformación (zona elástica
dentro de la Ley de Hooke).
2) MÉTODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE
Para el diseño de un pavimento flexible, contamos con los siguientes métodos:
- Método AASHTO (Versión 1993).
- Método del Instituto del Asfalto.
- Método Mecanístico – Empírico.
2.1) MÉTODO AASHTO (VERSIÓN 1993)
Este método de diseño, incluye distintos parámetros como Tráfico,
Serviciabilidad, CBR, Módulo Resiliente (Mr), Número Estructural, Nivel de
confianza, Distribución normal y Distribución acumulada.
Para hallar el SN requerido, se necesitan los siguientes parámetros:
- Tráfico. Es un factor que hace referencia a la obtención de los Ejes
Equivalentes a 18 kip
- Serviciablidad. es un parámetro de diseño que expresa el confort del
usuario en el momento de su circulación en la carretera. Se divide en:
Serviciabilidad Inicial (Pi). Indica mediante un índice, el confort en la
carretera en el inicio de su uso y del comienzo de su vida útil. El
índice se establece de acuerdo con las cargas establecidas con los
Ejes Equivalentes (EE) y su clasificación por ser camino pavimentado
(Tp) o no pavimentado (Tnp). Los índices se expresan en una tabla
existente en el Manual de Suelos, Geología y Geotecnia (Ver anexo
2).
Serviciabilidiad final o terminal (Pt). Indica mediante un índice, el
confort en la carretera en el final de su uso y del término de su vida
útil. El índice se establece de acuerdo con las cargas establecidas con
los Ejes Equivalentes (EE) y su clasificación por ser camino
pavimentado (Tp) o no pavimentado (Tnp). La Serviciabilidad final
indica que la carretera ha alcanzado algún tipo de mantenimiento o
rehabilitación. Los índices se expresan en una tabla existente en el
Manual de Suelos, Geología, Geotecnia y Pavimentos – 2013 (Ver
anexo 3).
Variación de Serviciabilidad (∆PSI). Es la diferencia entre la
serviciabilidad inicial (Pi) y la serviciabilidad final (Pt).
- CBR. Para el diseño de un pavimento, se utiliza el CBR de diseño. Este
CBR está en base a distintos resultados obtenidos de ensayos de CBR
realizados en el terreno, y la cantidad de ensayos estará determinada por
la clasificación de la carretera a proyectar según su IMDA (Ver anexo 4).
- Módulo Resiliente. En el diseño de pavimentos flexibles, se establece una
correlación entre el CBR y el Mr mediante la siguiente fórmula (Ver
anexo 5).
- Nivel de Confiabilidad. Representa la probabilidad que una determinada
estructura se comporte de acuerdo con lo previsto durante su periodo
de diseño, y expresa sus valores de acuerdo a una clasificación funcional
de la obra. La confianza no se ingresa directamente en la ecuación para
el diseño, ya que se utiliza un coeficiente estadístico denominado
Desviación Estándar Normal (ZR) (Ver anexo 6).
- Desviación Estándar Normal (ZR). Es un coeficiente estadístico que
representa el valor de la confiabilidad de la obra. Este valor es ingresado
y procesado en la ecuación básica de diseño (Ver anexo 7).
- Desviación Estándar Combinada (So). Es un valor que trabaja con la
variabilidad de la predicción de tránsito. Estos valores se toman de
acuerdo al tipo de pavimento (Ver anexo 8).
- Número Estructural (SN). Luego de obtener los datos, se procesan y se
obtiene el Número Estructural. Este elemento representa el espesor total
del pavimento, que será transformado en el espesor efectivo de cada
una de las capas que lo constituirán. El número estructural se obtiene de
una ecuación básica de diseño (Ver anexo 9).
2.1.1) ESTUDIO DE TRÁFICO
En el diseño, se tiene en cuenta el IMDs (Índice Medio Diario Semanal),
cuyo valor nos brinda el volumen vehicular por días de la semana. Una
vez obtenidos los datos del IMDs, procedemos al cálculo del IMDa (Índice
Medio Diario Anual) mediante una formula (Ver anexo 10). En la
siguiente tabla, se pueden observar los cálculos del IMDa.
El Estudio de Tráfico, se realiza 7 días, las 24 horas (para proyectos de
inversión a nivel de perfil) para poder hacer un conteo de los vehículos
que pasan por el terreno de la obra proyectada, y poder así clasificarlos
según su tipología.
En la siguiente tabla, podemos observar los vehículos que pasan por la
zona del proyecto, contados por día, y clasificados respectivamente
según su tipología.
El Estudio de Tráfico puede calcularse fácilmente en hojas de cálculo,
proporcionando así un orden para el futuro cálculo del Índice Medio
Diario semanal/anual.
2.1.2) ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS
Una vez realizado el respectivo Estudio de Tráfico y cálculo del IMD, se
procede al Estudio de Mecánica de Suelos del lugar.
En el diseño de un pavimento flexible, también es importante contar con
el Estudio de Mecánica de Suelos, ya que esta etapa de estudio nos
brindará información sobre los distintos tipos de suelo existentes en el
lugar de investigación, y sus características, como su composición,
granulometría y plasticidad.
Luego, estos suelos deben ser sometidos a distintas pruebas de
laboratorio para obtener su valor relativo de soporte, es decir, resultados
de los ensayos CBR realizados en campo. Estos resultados,
posteriormente nos servirán para el CBR de diseño.
En el Estudio de Mecánica de Suelos efectuado el Jr. Apurímac Cuadras
03 y 04, la exploración de campo fue desplegada con la participación de
un (01) obrero. Con este solo obrero, se realizó cuatro (04) calicatas
(pozos exploratorios) como técnica de investigación del subsuelo,
manteniendo entre éstas una distancia prudencial que nos permitiera en
buen grado obtener el perfil del suelo del lugar.
En estas calicatas, se alcanzó profundidades de investigación de 1.50
metros.
También, se determinó que el suelo tiene una calidad de drenaje
Regular, en donde el pavimento estará expuesto a niveles de humedad
próximas a la saturación con un porcentaje menor a 1%.
2.1.2.1) PERFIL DEL SUELO
A partir del estudio realizado, se determinó que el suelo es heterogéneo.
Seguidamente, se describen los tipos de suelo hallados en el lugar:
Calicata N° 01
- Muestra M – 01 (0.00 – 2.00). Arena Arcillosa ligera o de baja
plasticidad. Según SUCS, es un SC; según AASHTO es un A – 6 (4). Esta
muestra representa un valor relativo de capacidad de soporte (CBR)
de 9.00% a 2.54 mm de penetración.
Calicata N° 02
- Muestra M - 01 (0.00 – 1.00). Limo ligero orgánico de baja
plasticidad. Según SUCS, es un OL; según AASHTO es un A – 6 (3).
- Muestra M – 02 (1.00 – 2.00). Arena arcillosa ligera o de baja
plasticidad. Según SUCS, es un SC; según AASHTO es un A – 6 (1). Esta
muestra representa un valor relativo de capacidad de carga (CBR) de
4.5% a 2.54 mm de penetración.
Calicata N° 03.
- Muestra M – 01 (0.00 – 2.00). Arena arcillosa ligera o de baja
plasticidad. Según SUCS, es un SC; según AASHTO es un A – 6 (2). Esta
muestra representa un valor relativo de capacidad de carga (CBR) de
10.50% a 2.54 mm de penetración.
Calicata N° 04.
- Muestra M – 01 (0.00 – 2.00). Arena arcillosa ligera o de baja
plasticidad. Según SUCS, es un SC; según AASHTO es un A – 6 (1). Esta
muestra representa un valor relativo de capacidad de carga (CBR) de
8.00% a 2.54 mm de penetración.
Una vez analizado el perfil del suelo, se toman los resultados de los
valores relativos de soporte (CBR), y se generan los valores de los Ejes
Equivalentes en base a 18 kip mediante una fórmula básica (Ver
anexo 11).
A continuación, se observa en la siguiente tabla, los valores de los Ejes
Equivalentes (EE) para un período de diseño de 20 años:
Con los Ejes Equivalentes, se puede clasificar la carretera; en este caso,
corresponde a una Tp7.
Luego, en base a los EE, se establece un percentil de diseño; en este caso,
por contar con EE entre un rango de 300,001 a 500,000, hemos utilizado un
percentil de diseño de 75%, y así generar seguidamente el CBR de diseño.
En la siguiente figura, se observa el cálculo del CBR de diseño generado
mediante el Método del Instituto del Asfalto.
Con el valor del CBR de diseño, se calcula el Módulo Resiliente en base a una
correlación Módulo Resiliente – CBR de diseño.
Con la fórmula anteriormente mencionada, se hicieron los respectivos
cálculos, y se obtuvo que Mr(Psi)= 9474.23.
Estableciendo posteriormente los valores de todos los parámetros de diseño
calculados, se procede a calcular el Número Estructural requerido (SNreq).
Como se ha mencionado anteriormente, este parámetro representa el
espesor total del pavimento requerido.
En la siguiente tabla, se establecen los valores de los parámetros para el
cálculo respectivo del SNreq.
Con el cálculo mediante la ecuación básica para el cálculo de Número
Estructural requerido, se obtuvo el siguiente resultado:
SNreq = 2.18
Una vez hallado el Número Estructural requerido, necesitamos especificar el
espesor total del pavimento por capas. Para esto, necesitaremos hallar el
Número Estructural real, en donde debe cumplirse la condición de que éste
sea mayor o igual que el Número Estructural Requerido.
Para hacer eficiente el espesor individual de cada capa que conforma el
pavimento, utilizaremos una ecuación básica (Ver anexo 12).
En los siguientes cuados, se observan los valores de los parámetros para hallar el SN real.
MrBase 30000MrSub-base 15000
*Fuente:
Elaboración
Propia
Los coeficientes a2 y a3 están definidos en base a una fórmula, utilizando los
Mr de la Base y Sub-base, respectivamente.
Si el suelo tiene una calidad de drenaje Regular, en donde el pavimento
estará expuesto a niveles de humedad próximas a la saturación con un
porcentaje menor a 1%, entonces nuestro coeficiente de drenaje a utilizar
para la base tanto para la sub-base es 1.2
Utilizando la fórmula anteriormente mencionada para el cálculo del SN real,
tenemos los espesores especificados para cada una de las capas que
conforman el pavimento. Tenemos entonces dos opciones:
2.2) MÉTODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO
Es un método que establece un límite de deflexión en el pavimento. Para
aplicar esta metodología, en primer lugar se necesita el número de tráfico y
los EALs.
SNreq 2.42a1 0.42a2 0.14a3 0.11m2 1.20m3 1.20
Aparte, este método permite combinaciones de carpeta asfáltica y bases de
concreto asfáltico, carpeta asfáltica con bases estabilizadas con emulsiones
asfálticas, y carpeta asfáltica con base y sub-base sin estabilizar.
Se necesitan los siguientes parámetros:
EALs. Los ejes equivalentes se calculan mediante una fórmula básica,
considerando el tráfico promedio (acumulado), los EE del año 0 y factor
de crecimiento. En base a los EALs, se eligen los espesores de la carpeta
asfáltica con una base estabilizada (sin sub-base). En este caso, el
espesor de la carpeta asfáltica será de 2” (5 cm) (Ver anexo).
Para este método, se utilizan los EE calculados del método anterior.
Carril de diseño. En una carretera con dos carriles, cualquier carril
puede ser el carril de diseño, generalmente con un factor de
distribución direccional de 50% y un factor de carril de 100%. En este
caso, se adoptan los valores.
Camión de diseño. Son vehículos que representan la tipología de
vehículos que transitan por la zona donde se proyectará la obra.
Módulo Resiliente. Se convierte el módulo resiliente a kg/cm2, para
determinar mediante un ábaco, el espesor de la base estabilizada (Ver
anexo 12).
Tenemos entonces el producto del Mr y un psi en kg/cm2. El resultado
es el siguiente:
Mr=666.1 kg/cm2
En este caso, resulta imposible utilizar el ábaco para el cálculo del
espesor de la base granular estabilizada porque el Mr mínimo es de
10000 kg/cm2. Sin embargo, se ha establecido un espesor de 12.5 cm
para la base.
2.3) MÉTODO DEL ÍNDICE DE GRUPO
Este método considera los siguientes parámetros para el diseño del espesor
de las capas del pavimento:
- Terreno de fundación compactado al 95% para densidad óptima.
- Sub-base y base compactadas al 100% para densidad óptima.
- Drenaje bueno del suelo.
- Napa freática mayor a 2 metros de profundidad, donde ya no es
perjudicial para el T.F.
- Se toma en cuenta el tipo de tránsito (liviano, mediano, pesado).
Teniendo en cuenta los siguientes criterios, se toman los espesores de las
capas del pavimento de un cuadro, teniendo en cuenta también el índice de
grupo (IG) del suelo (Ver anexo 14).
Para este proyecto, debido a que el IG se encuentra entre 2 y 4, se tomaron
en cuenta los espesores siguientes:
- Sub-base: 10 cm (4”).
- Base y carpeta de rodadura: 15 cm (6”).
2.4) MÉTODO WYOMING:
Este método, es el que contiene más parámetros. A cada parámetro se le
asigna un valor, para luego trabajar con una curva de diseño en un gráfico
según su calificación final (Ver anexo 20).
Los principales factores a considerar son:
- Precipitación anual del lugar (Ver anexo 15).
- Situación de la napa freática (Ver anexo 16).
- Acción de las heladas (Ver anexo 17).
- Drenaje superficial y subterráneo (Ver anexo 18).
- Tránsito, calculado para un periodo de 20 años (Ver anexo 19).
En la siguiente tabla, se observan los parámetros de la zona. Se determinó
que la curva de diseño es 7 (Ver anexo).
También, se tienen los siguientes CBR. Si observamos la tabla, se
Una vez obtenida la curva de diseño y los CBR, se procede al diseño del
pavimento.
o Espesor encima del terreno de fundación, con CBR de 7.75% =
10.8”. (Obtenido del gráfico Método Wyoming, ver anexo 21).
o Espesor encima de la sub-base, con CBR de 30% = 4.6”. (Con el
CBR de la sub base, sale el espesor de encima).
o Espesor de la Sub-base es: 10.8 – 4.6 = 6.2” (Resta e.total –
e.encima de la sub base).
o Espesor encima de la Base, con CBR de 55% = 2.5 (Con el CBR
de la base, sale todo el espesor de encima).
o Luego, espesor de la Base es: 4.6 - 2.5 = 2.1” (Resta e.encima de
sub base – e.encima de la base).
Entonces, se tienen los siguientes espesores:
- Capeta asfáltica: 2.5 cm
- Base: 2.10 cm
- Sub-base: 6.2 cm
7) Desviación Estándar Normal (ZR):
8) Desviación Estándar Combinada (So):
9) SN (Número Estructural requerido):
log 10 ( ∆ PSI ) log10 (W18) = ZR x So + 9.36 x log10 (SN + 1) - 0.20 + (4.2-1.5) + 2.32 x log10 (MR) - 8.07 0.40 + 1094
(SN+1) 5.19
Donde:
W18 = Número previsto de aplicaciones de carga por eje simple equivalente a 18
kip.
ZR = Desviación estándar normal
So = Error estándar combinado de la predicción del tráfico y de la predicción del
comportamiento estructural
DPSI = Diferencia entre el índice de serviciabilidad inicial de diseño, Pi y el índice
de serviciabilidad terminal de diseño, Pt.
MR = Módulo resiliente (psi)
SN = Número estructural indicativo del espesor total del pavimento requerido.
10) ÍNDICE MEDIO DIARIO ANUAL
11) EJES EQUIVALENTES
12) DISEÑO DE BASE ESTABILIZADA POR EL MÉTODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO.
IMDS=∑ Vi7IMDa=IMDS∗FC
EE i = IMD x 365 x fi x f D x DD x DL
13) SN real
SN = a1.D1 + a2.D2.m2 + a3.D3.m3
14) TABLA DE ESPESORES DE PAVIMENTO SEGÚN ÍNDICE DE GRUPO