ANDREA JASBLEIDY LUGO LOPEZ YEISSON JAVIER VILLANUEVA...

EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LA SUB RASANTE DEL PAVIMENTO

EXISTENTE EN LA AV CIUDAD DE CALI, LOCALIDAD DE BOSA, POR

DEFLECTOMETRIA Y ENSAYOS DE LABORATORIO

ANDREA JASBLEIDY LUGO LOPEZ

YEISSON JAVIER VILLANUEVA DIAZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERÍA CIVIL

BOGOTA D.C

2018

EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LA SUB RASANTE DEL PAVIMENTO

EXISTENTE EN LA AV CIUDAD DE CALI, LOCALIDAD DE BOSA, POR

DEFLECTOMETRIA Y ENSAYOS DE LABORATORIO

ANDREA JASBLEIDY LUGO LÓPEZ

YEISSON JAVIER VILLANUEVA DÍAZ

Monografía de grado para obtener el título de Ingeniero Civil

Tutor: Hernando Villota

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERÍA CIVIL

BOGOTA D.C

2019

Tabla de Contenido

Introducción................................................................................................................................................ 8

Capítulo I ................................................................................................................................................... 10

1.1 Justificación ............................................................................................................................... 10

1.2 Formulación de la pregunta ...................................................................................................... 10

1.3 Objetivos ................................................................................................................................... 12

1.3.1 Objetivo General. ............................................................................................................. 12

1.3.2 Objetivos Específicos. ....................................................................................................... 12

Capitulo II. Marco Teórico ........................................................................................................................ 13

2.1 Antecedentes ............................................................................................................................ 13

2.1.1 Artículo de Investigación comparación de resultados entre deflectometría y ensayos de

CBR, relativos a la estimación del módulo resiliente. ..................................................................... 13

2.2 Marco Conceptual ..................................................................................................................... 14

Capitulo III. Marco Metodológico ............................................................................................................. 23

3.1 Metodología .............................................................................................................................. 23

3.1.1 Recolección de información. ............................................................................................ 23

3.1.1.1 Deflectómetro de impacto. ........................................................................................... 23

3.1.2 Trabajo de Campo y laboratorios. .................................................................................... 26

3.1.2.1 Conteos volumétricos de tráfico. .................................................................................. 26

3.1.2.2 Toma de apiques. .......................................................................................................... 30

3.1.2.2.1 Ubicación................................................................................................................. 31

3.1.2.2.2 Investigación del Subsuelo sin afectación de carga ................................................. 31

3.1.2.2.3 Investigación del subsuelo con afectación de carga ................................................ 34

Capitulo IV. Análisis de Datos.................................................................................................................... 37

4.1 Deflectómetro de Impacto ........................................................................................................ 37

4.1.1 Corrección de deflexiones por Carga. .............................................................................. 37

4.1.2 Corrección de deflexiones por Temperatura. .................................................................. 39

4.1.3 Calculo de MR por deflectometro. ................................................................................... 40

4.1.4 Calculo de CBR por deflectómetro de impacto. ............................................................... 42

4.2 Comparación de las propiedades del suelo ............................................................................... 43

4.3 Determinación del Numero de Eje Equivalentes ....................................................................... 46

4.3.1 Calculo de factores de daño. ............................................................................................ 48

4.3.2 Calculo de número de ejes equivalentes. ........................................................................ 50

4.4 Calculo del CBR del terreno natural .......................................................................................... 50

4.5 Valores de CBR obtenidos ......................................................................................................... 52

4.6 Diseño de pavimento ................................................................................................................ 53

4.6.1 Parámetros de Diseño. ..................................................................................................... 53

4.6.2 Determinación de los espesores de capas. ...................................................................... 61

Capitulo V. Conclusiones ........................................................................................................................... 65

REFERENCIAS ............................................................................................................................................ 67

Lista de tablas

Tabla 1. Datos de ensayo de deflectómetro zona de estudio ..................................................................... 24

Tabla 2. Datos de aforos vehiculares ........................................................................................................ 27

Tabla 3. Resultados de los ensayos de laboratorio para la toma de muestras in situ. ................................ 33

Tabla 4. Deflexiones del tramo corregidas por carga ................................................................................ 38

Tabla 5. Deflexiones del tramo corregidas por temperatura ...................................................................... 39

Tabla 6. Suelo sometido a cargas .............................................................................................................. 43

Tabla 7. Suelo natural ............................................................................................................................... 45

Tabla 8. Composición vehicular ............................................................................................................... 47

Tabla 9. Tasas de crecimiento obtenidas ................................................................................................... 47

Tabla 10. Número de vehículos en el periodo de diseño ........................................................................... 48

Tabla 11. transito promedio diario semanal de camiones .......................................................................... 48

Tabla 12. Concurrencia de camiones vs NVPD ........................................................................................ 48

Tabla 13. Calculo factores de daño por vehículo ...................................................................................... 49

Tabla 14. Resumen de factores de daño .................................................................................................... 50

Tabla 15. Numero de ejes equivalentes ..................................................................................................... 50

Tabla 16. Datos de Apiques ...................................................................................................................... 51

Tabla 17. Organización CBR sub-rasante natural, y estimado en porcentaje. ........................................... 51

Tabla 18. Resumen de CBR Obtenidos ..................................................................................................... 53

Tabla 19. Valores del nivel de confianza R ............................................................................................... 54

Tabla 20. Costo de materiales para un metro cuadrado del pavimento existente....................................... 64

Tabla 21. Costo de materiales para un metro cuadrado del pavimento nuevo. .......................................... 64

Tabla de ilustraciones

Ilustración 1. Funcionamiento de un deflectómetro de impacto ................................................... 21

Ilustración 2. Ubicación de la zona de aforo................................................................................. 26

Ilustración 3. Sentidos de tráfico y dirección en la zona de aforo. Autoría propia. ...................... 27

Ilustración 4. Camiones y vectores ............................................................................................... 30

Ilustración 5. Localización muestras de apiques........................................................................... 31

Ilustración 6. Perfil estratigráfico, Capas del suelo tomada en apiques y ensayos ....................... 32

Ilustración 7. Obtención del valor de CBR ................................................................................... 52

Ilustración 8. Valores típicos de modulos de elasticidad .............................................................. 54

Ilustración 9. Grafico para determinar el coeficiente estructural (a1) de la mezcla asfáltica ....... 56

Ilustración 10. Grafico para determinar el coeficiente estructural (a2) de la base granular. ........ 57

Ilustración 11. Grafico para determinar el coeficiente estructural (a3) de la Subbase granular ... 58

Ilustración 12. Obtención de SN para Sub rasante ....................................................................... 59

Ilustración 13. Obtención de SN para sub base granular .............................................................. 60

Ilustración 14. Obtención de SN para base granular..................................................................... 61

RAE

1. TIPO DE DOCUMENTO: Trabajo de grado para optar por el título de INGENIERO CIVIL

2. TÍTULO: EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LA SUB RASANTE DEL

PAVIMENTO EXISTENTE EN LA AV. CIUDAD DE CALI, LOCALIDAD DE BOSA, POR

DEFLECTOMETRIA Y ENSAYOS DE LABORATORIO.

3. AUTORES: Andrea Jasbleidy Lugo López, Yeisson Javier Villanueva Díaz.

4. LUGAR: Bogotá, D.C

5. FECHA: agosto 13 de 2019

6. PALABRAS CLAVE: Deflectometro de impacto, sub rasante, pavimento

7. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO: El propósito de este proyecto es evaluar de un tramo de

vía, a través de un comparativo, la diferencia existente entre una sub-rasante en terreno

natural y una sub-rasante ya sometida a cargas. Esto debido a que los diseños de pavimentos

se realizan con datos de sub rasantes que no son los propios del tramo de vía, siendo posible

que el diseño no satisfaga las condiciones reales y que se incurran en mayores costos

económicos ya que el resultado del diseño de la estructura de pavimento puede ser de

menores especificaciones si se considerara la consolidación que sufre el terreno, debida a las

cargas del tránsito de la zona.

8. CONCLUSIONES: La resistencia de una sub rasante de pavimento se ve afectada de manera

positiva una vez es expuesta a cargar vehiculares. Se observó que el valor de CBR aumento a

causa de la consolidación que se genera en el suelo, esto genera que los espesores de la

estructura de pavimento disminuyan, contribuyendo así a un ahorro económico al

presupuesto para la construcción de la vía.

8

Introducción

El presente documento tiene como principal objetivo evaluar el comportamiento de la

sub-rasante que ha sido sometido a cargas vehiculares contra una sub-rasante natural, de esta

manera identificando la veracidad de los datos al momento de la toma de muestras de laboratorio

puesto que estas se hacen en lugares aledaños a las vías en las cuales se realizara la construcción

de uno nuevo o el mantenimiento de dicha estructura, esto con el fin de no generar daños sobre el

existente.

La importancia de estudiar estos parámetros radica en que la consecuencia de obtener

datos en diferentes lugares a los que se va a construir puede generar cifras erróneas al momento

de realizar los ensayos y posteriormente arrojar un tipo de estructura diferente a la que necesita el

área que será intervenida; teniendo en cuenta que esto traerá inconvenientes a corto y largo plazo

tanto estructural como económicamente.

En el documento se plantean establecer los parámetros de diseño de un nuevo pavimento

teniendo en cuenta que este tramo ya ha sido sometido a cargas vehiculares del cual se realizaron

muestras de ensayos de Deflectómetro, siendo comparado con los ensayos de laboratorio de un

tramo natural identificando si la sub-rasante mejoro o se debilito debido a las cargas aplicadas.

Mediante aforos vehiculares, se tomó el volumen de carga del tránsito promedio en ejes

equivalentes de 8.2 Toneladas los días de la semana con mayor magnitud de circulación de

tráfico en la zona.

Se exponen los principales elementos de la teoría de diseño de pavimento y los aspectos

requeridos para un diagnóstico de los modelos estructurales que nos indican si los datos

9

obtenidos aprueban o refutan el procedimiento hasta el día de hoy realizado al momento de

tomar muestras para realizar un nuevo diseño de pavimento.

Adicionalmente se incluye un comparativo económico de los diferentes tipos de

estructuras según las variables obtenidas en los parámetros propuestos y los datos obtenidos.

10

Capítulo I

1.1 Justificación

Se evidencia la importancia de verificar el diseño de la estructura de pavimento existente en

el tramo de vía en estudio, evaluando la sub rasante de la misma por medio de los resultados del

Deflectómetro de impacto, comparando este resultado con el obtenido del ensayo a realizar en

una zona verde aledaña al tramo de vía en estudio, con el fin de establecer la resistencia de la sub

rasante en un terreno natural. Adicionalmente, una vez se tengan los resultados de las dos sub

rasantes estudiadas, se evaluará la diferencia existente, si la diferencia es considerable, se

procederá a diseñar una nueva estructura de pavimento, contemplando los resultados reales de la

sub rasante existente.

Por lo tanto se busca realizar un comparativo entre la sub rasante de la zona en estudio,

afectada por cargas vehiculares y la zona que conserva la sub-rasante natural, con el fin de

comprobar si hay una variación entre las sub rasantes y de esta forma realizar, si es el caso, una

mejora en el diseño de pavimento según los resultados obtenidos en los ensayos de laboratorio y

verificar si el diseño actual cumple con los requerimientos para disipar las fuerzas que entregan

los vehículos a esta zona.

1.2 Formulación de la pregunta

En la ciudad de Bogotá se evidencia que en las etapas de investigación de los proyectos

viales, en los cuales se realiza el diseño del pavimento, se toman ensayos de laboratorio en las

zonas verdes, parques o separadores viales aledaños al tramo de vía que se va a construir, esto

con el fin de evitar daños en el pavimento existente con huecos adicionales debidos a los

11

ensayos; de esta manera se analiza la sub-rasante natural y no aquella que ha sido alterada por

repeticiones de carga vehicular.

Esta práctica ayuda a no dañar el pavimento, sin embargo, no se tiene en cuenta que el suelo

en condiciones naturales, tiene características físicas y mecánicas diferentes a un terreno al que

ya se le ha puesto una estructura de pavimento y que ha estado sometido a las cargas del tránsito

de la zona. Para el segundo caso, la sub rasante sufre una consolidación debida a las cargas, que

mejora las condiciones mecánicas del terreno.

Esto conlleva a que los diseños de pavimentos se realicen con datos de sub rasantes que no

son los propios del tramo de vía, siendo posible que el diseño no satisfaga las condiciones reales

y que se incurran en mayores costos económicos ya que el resultado del diseño de la estructura

de pavimento puede ser de menores especificaciones si se considerara la consolidación que sufre

el terreno.

Teniendo en cuenta lo anterior, surge la iniciativa de cuestionar ¿Existe variación en el

diseño de la estructura de un pavimento, si se diseña con la información de una sub rasante

natural y una sub rasante ya consolidada a causa del tránsito diario?

12

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo General.

Comparar la variación de resistencia que existe entre una sub rasante natural y una sub-

rasante consolidada a causa del tránsito, mediante el deflectometro de impacto y ensayos de

laboratorio.

1.3.2 Objetivos Específicos.

Recolectar información y analizarla determinando las características de la sub-rasante

natural y la sub-rasante consolidada por el tránsito.

Comparar la sub-rasante de la zona vehicular y la zona verde aledaña para evaluar la fatiga

presentada.

Establecer el nivel de afectación de la sub-rasante teniendo en cuenta las cargas del tráfico

vehicular de la zona.

Realizar un diseño con las condiciones actuales de la zona y el porcentaje de deterioro según

resultados.

13

Capitulo II. Marco Teórico

2.1 Antecedentes

2.1.1 Artículo de Investigación comparación de resultados entre deflectometría y

ensayos de CBR, relativos a la estimación del módulo resiliente.

El artículo recopila las diferentes metodologías para caracterizar la resistencia de la sub

rasante y la capacidad estructural efectiva de una estructura de pavimento. Históricamente se ha

utilizado el ensayo de valor soporte (CBR) para caracterizar la sub rasante y con ello diseñar y

valuar el paquete estructural. Este tipo de ensayo evalúa la calidad del suelo con base a su

resistencia bajo condiciones de humedad y densidad controladas, y a través de correlaciones se

determina el Módulo Resiliente. Así mismo se analiza el comportamiento del sistema pavimento

– sub rasante del tramo Túnel Falda de la Queñua – San Lorencito. Se plantea la obtención del

Módulo Resiliente (MR) mediante el equipo no destructivo conocido como Viga Benkelman,

para medir las deflexiones generadas en el pavimento a partir de la aplicación de una carga móvil

que simula la aplicación de cargas cíclicas generadas por el paso de los vehículos, analizando la

deflexión final en la sub-rasante. Estas deflexiones son analizadas e interpretadas a través de un

modelo matemático para calificar y cuantificar el estado estructural del pavimento. Al comparar

los Módulos Resilientes obtenidos por ambas metodologías, se encontraron diferencias entre uno

y otro método. El análisis de estos resultados nos ayudará a determinar características de campo

más reales para una posible aplicación en la evaluación de la estructura o bien para determinar el

tipo de mantenimiento que se deba aplicar a la estructura ante la presencia de fallas.

14

2.1.2 Tesis de maestría relación entre el módulo Resilientes hallado por retro cálculo y

el encontrado en ensayos de laboratorio

El documento busca la importancia en la determinación de parámetros que mejor

representen las condiciones esfuerzo-deformación de los materiales que conforman la estructura

de un pavimento que ha sido de interés relevante dentro de la ingeniería vial. Como resultado de

estas investigaciones se han desarrollado técnicas y nuevos equipos que se han difundido

rápidamente a nivel internacional, siendo uno de los más utilizados el equipo de deflectometría

de impacto ó FWD por sus siglas en inglés. El cual por medio de técnicas no destructivas

determina la evaluación estructural de pavimentos, una práctica que se ha difundido con gran

celeridad debido a la velocidad y versatilidad con la que se recopila la información, así como a

los menores costos asociados; comparados con los procedimientos tradicionales que incluyen

perforaciones, apiques y extracción de muestras. Con la información obtenida de estos equipos

es posible determinar el valor de los módulos de las capas que conforman un pavimento

empleando métodos de retro cálculo. Los resultados encontrados por estas metodologías y los

obtenidos a partir de muestras ensayadas en laboratorio, permitirá determinar los coeficientes de

ajuste que relacionan entre sí este parámetro. Las investigaciones realizadas se han concentrado

en determinar un factor de correlación para los materiales de sub-rasante, los cuales son usados

para la determinación de módulos en técnicas de rehabilitación para pavimentos, sin ahondar en

la determinación de este factor para materiales de capa granular y mezclas asfálticas.

2.2 Marco Conceptual

A continuación, se mencionan de manera general una serie de conceptos para

contextualizar y dar soporte en el desarrollo del presente proyecto, con el fin de tener claridad

del tema en referencia.

15

- Estructura de Pavimento.

Los diferentes métodos de diseño, como AASHTO 93, 98 y PCA 84, consideran al menos

las siguientes capas para el diseño estructural de los pavimentos de concreto:

- Sub rasante.

Es el suelo de cimentación del pavimento, pudiendo ser suelo natural, debidamente

perfilado y compactado; o material de préstamo, cuando el suelo natural es deficiente o por

requerimiento del diseño geométrico de la vía a proyectar.

Los materiales que pueden ser empleados como sub rasante serán de preferencia materiales de

tipo granular.

- Sub base.

Es la capa que está apoyada sobre la sub rasante, compuesta por materiales granulares de

buena gradación. Deberá ser perfilada y compactada entre el 95% y 100% de su máxima

densidad seca mediante el ensayo proctor estándar. El empleo de una sub base implica mejorar la

capacidad de soporte de suelo que se traduce en una reducción del espesor de carpeta de

rodadura. Sin embargo, el impacto no es significativo.

- Base.

Para el pavimento de concreto no es común, pero podría darse el caso en situaciones

extremas. En ese caso la base constituye la capa intermedia entre la sub base y la carpeta de

rodadura y utiliza materiales granulares de excelente gradación.

16

- Bases estabilizadas con cemento

Las bases estabilizadas permiten el empleo de materiales locales y reciclados, teniendo

como ventajas: sub bases menos erosionables, reducción de esfuerzos de tensiones y de

flexiones, mejoramiento de la transferencia de carga entre paños, entre otras.

Se podrá estabilizar con cemento siempre y cuando el material a estabilizar sea libre de

partículas orgánicas, con equivalentes de arena superiores a veinte.

- Carpeta de rodadura

Está conformada por mezcla de concreto hidráulico. Los métodos de diseño especifican

diseños de mezcla con Módulo de Rotura a la Flexión (MR) superiores a 42 Kg/cm2, o su

equivalente a f´c = 280 Kg/cm2.

- Juntas transversales y longitudinales

Es necesario para controlar la fisuración en la losa y permitir el movimiento relativo entre

paños adyacentes.

Las juntas son longitudinales y transversales y tienen el rol de inducir fisuras por

contracción del concreto, aislar el movimiento de los paños de elementos ajenos al pavimento,

como buzones, por ejemplo, y siendo incluso parte del procedimiento constructivo.

- Texturizado

El objetivo de texturizar la superficie del concreto es entregarle al pavimento las

cualidades necesarias para el contacto pavimento – neumático que permita el tránsito de los

vehículos en condiciones seguras. Pueden ser de dos tipos: micro y macro texturizado.

17

El micro texturizado es el que se logra aplicando una llana húmeda sobre la superficie del

pavimento.

El macro texturizado se logra mediante herramientas mecánicas, como peines con cerdas

metálicas o aparatos más sofisticados que pueden ser incorporados en el tren de

pavimentado.

- Barras de amarre

Son barras de acero corrugadas que controlan el movimiento lateral de los carriles, las

mismas que sirven de anclaje.

- Barras pasa juntas

Se pueden dar mediante la trabazón de los agregados o mediante el empleo de pasadores

en las juntas de contracción transversal. Los pasadores son barras de acero lisas y con los bordes

redondeados que se colocan en el plano perpendicular al corte de la junta transversal.

Deben estar centrados con respecto al espesor de la losa y permitir el movimiento entre

paños adyacentes, no deben restringir su movimiento.

- Tipos de pavimento

Pavimento de concreto simple con juntas

En este tipo de pavimentos se requiere realizar juntas de contracción transversal cada 3.5

y 6.0 metros. La transferencia de carga entre paños adyacentes se puede dar mediante trabazón

de agregados o mediante el empleo de pasa juntas. Las juntas inducen el agrietamiento propio del

18

comportamiento del concreto por las tensiones originadas debido a los cambios de temperatura y

humedad.

Pavimento de concreto armado con barras transversales

La carpeta de rodadura es de concreto reforzado con mallas de acero, las que permiten

ampliar las distancias entre las juntas entre 7.5 y 9.0 metros. Aunque tiene refuerzo moderado de

acero siempre se espera que se produzcan fisuras controladas dentro de los paños. El refuerzo

controla parte de las tensiones y permite tener espaciamientos mayores entre las juntas. La

transferencia de carga entre paños adyacentes se realiza mediante el empleo de pasa juntas.

Pavimento de concreto continuamente reforzados

Las tensiones son controladas por una armadura de acero. Se espera la aparición de

fisuras controladas a lo largo de todo el pavimento, con distancias entre 0.6 y 2.0 metros.

- Métodos de diseño de pavimentos flexibles

Para los diseños de pavimentos flexibles existen varios métodos de diseño tales como:

métodos empíricos, AASHTO 93, INVÍAS 98, SHELL – 98, a continuación, se dará una

descripción de los métodos AASHTO y empíricos.

Método AASHTO 93

El método de diseño AASHTO, originalmente conocido como AASHO, fue desarrollado

en los Estados Unidos en la década de los 60, basándose en un ensayo a escala real realizado

19

durante 2 años en el estado de Illinois donde los suelos y climas son típicos para gran parte de

Estados Unidos, esto con el fin de desarrollar tablas, gráficos y fórmulas que representen las

relaciones deterioro-solicitación de las distintas secciones ensayadas.

A partir de la versión del año 1986, y su correspondiente versión mejorada de 1993, el

método AASHTO comenzó a introducir conceptos mecanicistas para adecuar algunos

parámetros a condiciones diferentes a las que imperaron en el lugar del ensayo original.

El método AASHTO-1993 para el diseño de pavimentos flexibles, se basa

primordialmente en identificar un “número estructural (SN)” para el pavimento, que hace

referencia a la resistencia estructural de un pavimento requerido para una combinación de

soporte del suelo (Mr), transito total (W18), de la serviciabilidad terminal y de las condiciones

ambientales. Para determinar el número estructural, el método se apoya en la siguiente ecuación:

Dónde:

W18 = número de aplicaciones de ejes simples equivalentes de 18 kip (80 kN) hasta el tiempo t

en el cual se alcanza ISP = pt

SN = número estructural

ΔPSI = diferencia entre los índices de servicio inicial y terminal

MR = módulo resiliente de la sub rasante (libras/pg2)

20

So = desviación estándar total de la distribución normal de los errores asociados con las

predicciones de tránsito y de comportamiento del pavimento (0.44-0.49)

ZR = parámetro estadístico asociado con distribuciones normales de datos, que considera la

probabilidad de que el índice de servicio del pavimento sea superior a pt durante el periodo de

diseño.

Una vez determinado el número estructural requerido se busca un conjunto de espesores

que combinados adecuadamente y teniendo en cuenta parámetros como los coeficientes

estructurales y de drenajes garanticen un número estructural efectivo mayor o igual al requerido

para soportar las solicitaciones de transito esperadas en el periodo de diseño. El número

estructural efectivo se determina por medio de la siguiente ecuación.

Dónde:

a1, a2, a3: Coeficientes estructurales de la capa asfáltica, base granular y sub base granular (in)

D1, D2, D3: Espesores de la capa asfáltica, base granular y sub base granular (in)

m2, m3: Coeficientes de drenaje para base granular y sub base granular.

- Deflectometro de Impacto

La deflexión es el parámetro universalmente empleado para la caracterización de la

capacidad estructural de un pavimento. El ensayo consiste en la aplicación de una carga y la

medición de la deformación producida en su superficie por efecto de la misma. El análisis de los

resultados permite en primera instancia, discretizar el itinerario por zonas de deflexión

homogéneas, en las que, al menos cualitativamente, se puedan delimitar secciones de distinta

21

capacidad portante. De esa manera, el Técnico conocerá los tramos en que se precisa actuar,

concentrando en ellos los medios materiales necesarios para restablecer en su caso las cualidades

estructurales necesarias para soportar el tráfico previsto en proyecto.

El Deflectometro de impacto DYNATEST HWD 8081 consta de:

Vehículo tractor: unidad de control. Ordenador de mando y adquisición de datos.

Remolque: sistema hidráulico de aplicación de cargas y sistema de medidas.

El vehículo tractor permite el transporte del tráiler de ensayo. Este vehículo es un Nissan

Navaral 4 WD de 6 cilindros, con una potencia de 170 Cv, desde donde el operador gobierna los

ensayos mediante la unidad de control y ordenador de mando.

El sistema hidráulico permite el levantamiento de las masas de ensayo hasta una

determinada altura, desde la que se dejan caer sobre una placa de ensayo de 30 cm. de diámetro,

pudiéndose aplicar al pavimento una carga variable a voluntad en función de las masas aplicadas

y la altura de caída. El rango de variación de dicha carga se encuentra comprendido entre 4 y 24

Tn.

Ilustración 1. Funcionamiento de un deflectómetro de impacto

22

La medida de las deflexiones se realiza mediante siete sensores (geófonos) que se sitúan

uno debajo de la placa de carga y los otros seis a distancias variables de hasta 2,5 m. del punto de

impacto. Existe la posibilidad de colocar sensores a ambos lados de la placa de carga. El uso de

geófonos en la medida de las deflexiones elimina la necesidad de un sistema de referencia,

obteniéndose valores de hasta 10-3 mm con una precisión de 0,5%.

Toda la información aportada por el sistema, es registrada y almacenada por un ordenador

personal Compag 80286 de 12 MHz, que a su vez comanda un "Procesador Dynatest 8000" para

controlar la realización de las siguientes tareas:

- Control operativo del equipo de medida.

- Escaneo y acondicionamiento de las ocho señales emitidas por los sensores.

- Lectura y cálculo del valor de deflexión y carga aplicada a través del chequeo de las

trescientas muestras obtenidas de cada señal.

Antes de realizar medidas de las deflexiones es necesario determinar la masa y las alturas

de caída de la misma apropiadas para producir las cargas deseadas. Se pueden seleccionar

secuencias de medidas con distintas alturas de caída de las masas.

Para el emplazamiento del aparato en cada punto de medida, se cuenta con un odómetro

de precisión que controla la distancia desde un origen de tramo. En cada punto en donde se

realiza la medida se aplica una carga de asentamiento de la placa de carga. Una vez que se ha

producido esta, se aplican otras cargas y se procede a la medida de las deflexiones.

Los programas de control permiten eliminar aquellas medidas en las que las deflexiones o

las cargas aplicadas presentan anomalías. Si la medida se considera satisfactoria se procede a su

almacenamiento en el ordenador para su posterior tratamiento, así como las distancias,

temperaturas e incidencias encontradas.

23

Capitulo III. Marco Metodológico

3.1 Metodología

El desarrollo de este proyecto involucró la ejecución de ensayos de laboratorio y trabajos

en campo, los cuales permitieron adquirir la información necesaria para desarrollar a nivel

comparativo el análisis de las sub-rasantes en estudio. A continuación, se lista de manera

descriptiva los pasos a seguir para la adquisición de datos:

3.1.1 Recolección de información.

Se recolectará la información pertinente a la zona con ensayos de deflectometro de

impacto, se analizarán y organizarán según resultados verificando los valores de las capas

presentes en el pavimento actual y en la sub-rasante. Una vez obtenidos se realizará los ensayos

en campo.

3.1.1.1 Deflectometro de impacto.

Del ensayo de deflectometro se obtuvieron los siguientes datos, arrojados por el Deflectometro

de impacto:

24

Tabla 1. Datos de ensayo de deflectometro zona de estudio

Distancia

(m)

Carga

(kN)

D0

(µm)

D1

(µm)

D2

(µm)

D3

(µm)

D4

(µm)

D5

(µm)

D6

(µm)

Temperatura aire

°C

Temperatura

pavimento

°C

1410 42.5 369 266 169 111 82 64 48 21 25

1410 41.9 359 261 169 117 82 64 43 21 25

1410 41.5 369 269 172 120 84 65 45 21 25

1410 42 374 265 169 115 80 62 46 21 25

1410 42.3 388 260 170 114 81 64 50 21 25

1400 42.3 377 268 173 117 85 66 38 21 23

1400 42.3 455 290 181 112 81 62 35 22 26

1400 42.1 444 283 176 109 80 60 45 22 26

1390 43 439 270 155 93 67 51 23 21 26

1390 42.9 439 267 156 95 68 51 47 21 26

1390 42.4 430 267 156 97 70 53 27 21 26

1370 42.4 538 360 219 135 94 71 62 21 26

1370 42.3 539 353 217 132 93 70 58 21 26

1370 42.1 520 346 216 135 94 71 60 21 26

1370 42.2 523 348 216 134 94 70 54 21 26

1335 42.6 471 342 215 138 91 66 42 21 26

1335 42.7 487 347 217 134 94 70 58 21 26

1335 42.5 458 342 216 138 93 68 48 21 26

1300 42.5 484 305 185 119 83 66 68 20 26

1300 42.2 470 309 191 124 92 73 62 20 26

1300 41.9 465 298 179 113 81 63 44 20 26

1265 42.6 590 360 212 136 94 71 34 21 26

1265 41.9 568 356 208 132 92 67 21 21 26

25

1265 42 584 357 210 132 94 70 34 21 26

1230 42.2 587 383 222 132 87 64 49 22 26

1230 42.4 569 382 223 133 86 62 59 22 26

1230 42.1 588 378 220 132 85 64 47 22 26

1195 42 674 411 237 144 96 67 56 20 26

1195 42.1 648 409 238 144 98 69 60 20 26

1195 42.1 670 409 239 144 97 68 54 20 26

26

3.1.2 Trabajo de Campo y laboratorios.

Se iniciará con un conteo de vehículos en horas pico para determinar el número de ejes

equivalentes que transitan en la zona y así obtener un promedio de las cargas aplicadas en el

pavimento existente.

3.1.2.1 Conteos volumétricos de tráfico.

Los aforos volumétricos vehiculares se tomaron en la Avenida carrera 86 con calle 48 sur

Barrio Chicala en la localidad número 07 (Bosa), UPZ Bosa Occidental de la ciudad de Bogotá

D.C, a los 4°62’68’’N 74°17’40’’O.

Ilustración 2. Ubicación de la zona de aforo

Mapas Bogotá, (2019). Localización de aforos vehiculares. mapas.bogota.gov.co/

https://mapas.bogota.gov.co/

27

Estos datos comprenden la toma de información de volúmenes vehiculares por accesos en

movimientos directos, para un período de 17 horas seguidas iniciando a las 6:00 hasta las 23:00,

en días donde usualmente se presenta mayor cantidad de vehículos en la zona (viernes, sábado y

domingo). Incluye todos los tipos de vehículo, no peatones ni bici usuarios.

Ilustración 3. Sentidos de tráfico y dirección en la zona de aforo. Autoría propia.

La toma de la información se realizó según el objetivo del proyecto, a continuación, se

presenta la información obtenida:

Tabla 2. Datos de aforos vehiculares

L B C2 C3 C3S2 C3S3

215 52 26 2 3 0

385 70 27 7 2 0

599 68 17 4 3 0

694 63 35 3 1 0

712 44 26 0 1 0

678 33 24 0 0 0

595 21 17 1 1 0

607 27 18 0 0 0

578 16 25 1 0 0

641 12 18 1 0 0

444 4 13 0 2 0

577 10 30 3 0 0

727 13 26 2 0 0

28

647 12 21 0 0 2

492 5 15 0 4 1

569 7 25 0 2 0

524 3 18 0 1 0

706 5 28 6 0 0

604 6 19 2 0 1

723 3 31 3 1 0

658 6 34 6 5 0

633 4 26 6 10 0

693 6 44 2 3 1

663 6 44 4 4 0

645 7 35 2 3 0

584 4 23 2 2 2

581 12 16 1 1 0

520 7 32 1 1 3

626 6 25 3 3 0

584 12 43 0 0 0

581 10 21 2 1 0

616 11 28 2 1 2

542 8 25 2 1 0

600 8 34 1 1 0

558 8 41 3 3 1

590 19 33 2 3 0

564 26 28 0 2 1

617 25 20 1 3 0

590 18 32 2 1 0

525 29 39 2 1 0

538 40 30 2 0 0

569 70 30 1 2 0

515 56 32 0 1 7

491 84 27 2 3 0

548 68 48 2 2 0

528 64 22 0 1 2

575 49 26 2 2 0

612 36 31 1 1 3

623 30 18 0 0 0

569 25 19 2 0 1

590 33 24 0 1 0

543 34 25 0 0 3

29

451 21 18 0 1 0

543 27 12 0 0 3

473 14 15 1 0 0

486 10 14 0 0 0

477 14 7 0 0 0

489 14 8 0 0 0

555 6 14 0 3 0

515 4 4 0 2 0

514 7 6 1 1 0

435 6 3 0 1 0

422 10 12 0 1 0

535 9 11 0 4 0

479 2 13 0 1 0

474 5 9 0 3 0

450 6 7 1 3 0

385 4 7 1 2 0

379 4 9 0 0 0

362 2 2 1 0 0

307 9 7 0 2 0

299 25 5 0 0 0

39418 1494 1597 96 107 33

Donde

L: Vehículos Livianos o automóviles particulares

B: Buses

C2: Camiones con cabina y furgón eje doble

C3: Camiones con cabina y furgón eje tándem

C3S2: Camiones con cabina eje tándem y furgón eje tándem

C3S3: Camiones con cabina eje tándem y furgón eje tridem

Se representan gráficamente de la siguiente manera:

30

Ilustración 4. Camiones y vectores

3.1.2.2 Toma de apiques.

Se llevó a cabo la toma de apiques en las zonas verdes adyacentes a la zona en estudio,

con el fin de determinar el CBR de la sub rasante del sitio.

31

3.1.2.2.1 Ubicación.

Los apiques de terreno natural se tomaron en el parque “Las Margaritas” en la localidad

número 07 (Bosa), UPZ Bosa Occidental de la ciudad de Bogotá D.C, a los 4°62’38’’N

74°17’47’’O.

Ilustración 5. Localización muestras de apiques

Mapas Bogotá, (2019). Localización muestras de apiques. mapas.bogota.gov.co/

3.1.2.2.2 Investigación del Subsuelo sin afectación de carga

Con el fin de poder evaluar las propiedades del suelo natural adyacente a la estructura de

pavimento estudiada, se ejecutaron apiques manuales a una profundidad máxima de 2.00 metros.

Hasta la profundidad de la exploración máxima no se encontró la superficie del nivel freático.

Se obtuvieron muestras de acuerdo a la estratigrafía encontrada, a las cuales se les

realizaron ensayos de corte directo, Casagrande, y granulometría.


32

Debido a la homogeneidad del material terreo encontrado en la investigación del suelo, se

calculó el siguiente perfil estratigráfico estimativo general de los datos encontrados:

Ilustración 6. Perfil estratigráfico, Capas del suelo tomada en apiques y ensayos

1. 2. 3.

Los resultados de los ensayos de laboratorio obtenidos de las muestras recogidas en el parque

Las Margaritas en la localidad de bosa se resumen en la siguiente tabla:

33

CIUDAD: BOGOTÁ D.C - LOCALIDAD BOSA

PROYECTO: PARQUE LAS MARGARITAS – CHICALA

FECHA: ENERO DE 2019

Tabla 3. Resultados de los ensayos de laboratorio para la toma de muestras in situ.

SO

ND

EO

PROFUNDIDAD

(m) GOLPES/PIE

N NF

(TO

N/M

2)

V (

TO

N/M

2)

V'

(TO

N/M

2)

RS

CN

CN

(PR

OM

)

DE A

ME

DIA

1 2 3

PE

CK

SE

ED

ME

YE

RH

OF

F-I

SH

IHA

RA

LIA

LO

-WH

ITM

AN

SK

EM

P-T

ON

SE

ED

-ID

RIS

S

SC

HM

ER

TM

AN

N

GO

NZ

AL

EZ

1 1,0 1,1 1,1 4,0 4,0 6,0 10,0 6,0 1,8 1,9 1,9 0,2 1,6 1,9 1,9 2,0 1,7 2,0 2,0 1,7 1,8

1,1 2,0 1,6 5,0 5,0 5,0 10,0 6,0 1,8 3,0 3,0 0,3 1,4 1,7 1,7 1,8 1,5 1,7 2,0 1,5 1,7

1,8 2,2 2,5 6,0 6,0 7,0 13,0 6,0 1,8 4,5 4,5 0,5 1,3 1,4 1,5 1,5 1,4 1,5 1,7 1,3 1,4

2 0,6 1,2 0,9 4,0 5,0 7,0 12,0 6,0 1,8 1,6 1,6 0,2 1,6 2,0 2,0 2,5 1,7 2,0 2,0 1,8 1,9

1,2 1,8 1,5 4,0 4,0 6,0 10,0 6,0 1,8 2,7 2,7 0,3 1,4 1,7 1,8 1,9 1,6 1,8 2,0 1,6 1,7

1,8 2,2 2,5 4,0 4,0 6,0 10,0 6,0 1,8 3,8 3,8 0,4 1,3 1,5 1,6 1,6 1,5 1,6 1,8 1,4 1,5

3 0,8 1,4 1,1 4,0 5,0 7,0 12,0 6,0 1,8 2,0 2,0 0,2 1,5 1,9 1,9 2,2 1,7 2,0 2,0 1,7 1,9

1,4 2,0 1,7 6,0 4,0 4,0 8,0 6,0 1,8 3,1 3,1 0,3 1,4 1,6 1,7 1,8 1,5 1,7 2,0 1,5 1,7

1,8 2,0 2,5 5,0 6,0 7,0 13,0 6,0 1,8 4,1 4,1 0,4 1,3 1,5 1,5 1,6 1,4 1,5 1,7 1,4 1,5

1

2 3 4

Ncorr equivalente ECUACIONES PARA COLOMBIA

(ENERGIA=45%)

CU

(TON/M2)

MO

DU

LO

E (

T/M

2)

BO

WIE

S

55%

72%

55%

72%

KIS

HID

A

PE

CK

JR

B

SH

IOU

& F

UK

UI

JN

R

PR

OM

BO

WIE

S

0,8 0,6 0,8 1,0 1,0 11,0 8,0 25,0 31,3 23,7 29,9 28,5 27,7 4,8 1440,0

0,8 0,6 0,8 1,0 1,0 10,0 7,0 24,4 31,0 23,1 29,5 28,3 27,3 4,2 1260,0

0,8 0,6 0,8 1,0 1,0 11,0 8,0 25,0 31,3 23,7 29,9 28,5 27,7 4,8 1440,0

0,8 0,6 0,8 1,0 1,0 14,0 10,0 26,2 32,0 24,7 30,6 28,9 28,5 6,0 1800,0

0,8 0,6 0,8 1,0 1,0 10,0 8,0 25,0 31,0 23,7 29,9 28,5 27,6 4,8 1440,0

0,8 0,6 0,8 1,0 1,0 9,0 7,0 24,4 30,8 23,1 29,5 28,3 27,2 4,2 1260,0

0,8 0,6 0,8 1,0 1,0 13,0 10,0 26,2 31,8 24,7 30,6 28,9 28,4 6,0 1800,0

0,8 0,6 0,8 1,0 1,0 8,0 6,0 23,7 30,5 22,5 29,2 28,1 26,8 3,6 1080,0

0,8 0,6 0,8 1,0 1,0 11,0 9,0 25,6 31,3 24,2 30,2 28,7 28,0 5,4 1620,0

34

3.1.2.2.3 Investigación del subsuelo con afectación de carga

A partir de los resultados de la inspección y exploración del subsuelo se realizaron los

análisis geotécnicos de la cimentación y se proyectó la alternativa de cimentación más apropiada.

En la zona de estudio se presentan superficialmente rellenos antrópicos con contenido de

materia orgánica y en algunos sitios capa vegetal, bajo estos materiales predominan suelo arcillo

limosos de alta plasticidad que alcanzan profundidades de hasta 3.0 m, a los que subyacen arenas

limo arcillosas y suelos arcillosos de baja plasticidad.

Mapas Bogotá, (2019). Localización muestras de apiques, sobre Av ciudad de cali..

mapas.bogota.gov.co/

N45 Número de golpes para el 45% de energía del martillo (Estimado para

Colombia)

Ang. D

e F

ricc

ion

kishida

15+RAIZ (12,5*N72)

NF Nivel Freático peck

28,5+0,25*N55

V Esfuerzo vertical total JRB

15+RAIZ(9,375*N72)

v' Esfuerzo vertical efectivo Shiou & Fukui

0,36*N72+27

Rs Parámetro utilizado para el CN RS=v'/Pa JNR

27+0,1875*N72

CN Factor de corrección por confinamiento efectivo

1 Factor de corrección por energía del martillo: La energía de USA es

el 60% y de Japón es de 72% Cu Bowies

N72*0,6

2 Factor de corrección por longitud de varilla E Bowies

CU*300

3 Factor de corrección por revestimiento interno de toma muestras

4 Factor de corrección por diámetro de la perforación Silts, sandy silt or clayey silt

E= 300(N+6) BOWIES

Ncor Número de golpes corregido Clayey sand

E=320(N+15)


35

- Apique 1

Superficialmente se encuentra un relleno de limo y escombros de 0.60 m de espesor, a

continuación, material de arcilloso café oscuro, con un espesor promedio de 2.0 m, la humedad

natural promedio de este estrato es 23%, límite líquido promedio es 35%, índice de plasticidad

promedio de 16% y un porcentaje de finos mayor de 99%, clasificando el material en general

como CL.

La resistencia de la sub rasante obtenida mediante el ensayo de CBR inalterado, en condición

natural se encuentra en promedio de 5.06% y en condición de inmersión en promedio 3.43%.

- Apique 2

Superficialmente se encuentra un relleno de limo y escombros de 0.60 m de espesor y un

material arcilloso gris oscuro de alta plasticidad, la humedad natural promedio de este estrato es

24%, límite líquido promedio es 60%, índice de plasticidad promedio de 33% y un porcentaje de

finos de 100%, clasificando el material en general como CH. Subyace arenas de compacidad

media que clasifican como SM y arcillas de plasticidad baja CL.



- Apique 3

Superficialmente se encuentra un relleno de limo y escombros de 0.40 m de espesor, a

continuación, un material limo arcilloso café oscuro, con un espesor promedio de 1.95 m, la

humedad natural promedio de este estrato es 26%, límite líquido promedio de 35%, índice de

plasticidad promedio de 16% y un porcentaje de finos de 100%, clasificando el material en

general como MH. Subyacen arenas limo arcillosas de compacidad media que clasifican como

SP-SM.

36



Ilustración 7. Perfil estratigráfico, Capas del suelo tomada en apiques y ensayos

37

Capitulo IV. Análisis de Datos

Dentro del análisis de datos se incluirán todos los cálculos realizados tanto para el

deflectometro de impacto como para los conteos volumétricos de tráfico y el ensayo de campo,

realizados para el desarrollo de este proyecto con el fin de obtener los datos necesarios que

permitan realizar el comparativo entre la sub rasante natural y la sub rasante del tramo de vía en

estudio.

4.1 Deflectometro de Impacto

Los datos obtenidos en el ensayo de Deflectometro de Impacto son ajustados a través de

correcciones, con el fin de obtener datos estandarizados y precisos para su correcta aplicación. A

continuación, se presentan las correcciones realizadas:

4.1.1 Corrección de deflexiones por Carga.

Los datos de deflexión obtenidos mediante el ensayo de deflectometro, se normalizan por

carga teniendo en cuenta la carga estándar de 40 kN. Debido a que la relación al aplicar la carga

no es siempre constante, se realiza de manera proporcional aplicando la siguiente relación:

Donde:

di = Deflexión del sensor i, corregida a la carga Pr

di0 = Deflexión del sensor i, medida en campo con la carga de aplicación P0

Pr = Carga a la cual se normalizarán las mediciones, en este caso igual a 40 kN

38

P0 = Carga (en kN) aplicada en las mediciones de campo

Tabla 4. Deflexiones del tramo corregidas por carga

Carga

(kN)

Deflexiones (µm)

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 Corrección por carga

42.5 369 266 169 111 82 64 48 104.47

41.9 359 261 169 117 82 64 43 111.69

41.5 369 269 172 120 84 65 45 115.66

42 374 265 169 115 80 62 46 109.52

42.3 388 260 170 114 81 64 50 107.8

42.3 377 268 173 117 85 66 38 110.64

42.3 455 290 181 112 81 62 35 105.91

42.1 444 283 176 109 80 60 45 103.56

43 439 270 155 93 67 51 23 86.51

42.9 439 267 156 95 68 51 47 88.58

42.4 430 267 156 97 70 53 27 91.51

42.4 538 360 219 135 94 71 62 127.36

42.3 539 353 217 132 93 70 58 124.82

42.1 520 346 216 135 94 71 60 128.27

42.2 523 348 216 134 94 70 54 127.01

42.6 471 342 215 138 91 66 42 129.58

42.7 487 347 217 134 94 70 58 125.53

42.5 458 342 216 138 93 68 48 129.88

42.5 484 305 185 119 83 66 68 112

42.2 470 309 191 124 92 73 62 117.54

41.9 465 298 179 113 81 63 44 107.88

42.6 590 360 212 136 94 71 34 127.7

41.9 568 356 208 132 92 67 21 126.01

42 584 357 210 132 94 70 34 125.71

42.2 587 383 222 132 87 64 49 125.12

42.4 569 382 223 133 86 62 59 125.47

42.1 588 378 220 132 85 64 47 125.42

42 674 411 237 144 96 67 56 137.14

42.1 648 409 238 144 98 69 60 136.82

42.1 670 409 239 144 97 68 54 136.82

39

Para la corrección por carga se toman para análisis los valores de D3 correspondientes a

los valores medios medidos en el plato del equipo del deflectometro.

4.1.2 Corrección de deflexiones por Temperatura.

Debido a las propiedades del asfalto y a su vez la temperatura del ambiente, se debe hacer

una corrección por temperatura de forma tal que se pueda obtener la deformación de la carpeta

asfáltica sin afectaciones del medio que la rodea; por lo tanto, debe hacerse una conversión

basados en una temperatura de referencia.

Donde:

Df(T) = Deflexión corregida

Factor (T) = Factor de corrección según la AASHTO

Df(t) = Deflexión obtenida en campo

Tabla 5. Deflexiones del tramo corregidas por temperatura

Carga

(kN) Deflexión (µm)

Deflexión corregida

por Temperatura

42.5 104.47 110.74

41.9 111.69 118.39

41.5 115.66 122.60

42 109.52 116.09

42.3 107.8 114.27

42.3 110.64 117.28

42.3 105.91 112.26

42.1 103.56 109.77

43 86.51 91.70

42.9 88.58 93.89

42.4 91.51 97.00

40

42.4 127.36 135.00

42.3 124.82 132.31

42.1 128.27 135.97

42.2 127.01 134.63

42.6 129.58 137.35

42.7 125.53 133.06

42.5 129.88 137.67

42.5 112 118.72

42.2 117.54 124.59

41.9 107.88 114.35

42.6 127.7 135.36

41.9 126.01 133.57

42 125.71 133.25

42.2 125.12 132.63

42.4 125.47 133.00

42.1 125.42 132.95

42 137.14 145.37

42.1 136.82 145.03

42.1 136.82 145.03

4.1.3 Calculo de MR por deflectometro.

Para obtener los resultados del módulo resiliente (MR) de la sub-rasante que ha sido

sometida a fuerzas de carga vehicular, usamos las ecuaciones de la metodología de diseño

AASTHO la cual está basada en la teoría de Boussinesq la cual se basa en la siguiente

formulación donde se considera un coeficiente de Poisson de 0.5:

Dónde:

MR: Modulo resiliente de la sub-rasante en psi

41

P: Carga aplicada en libras.

Dr= Deflexión medida a una distancia r del centro del plato de carga en pulgadas

R: Distancia desde el centro del plato de carga en pulgadas.

Para el dato de “r” la AASTHO sugiere una distancia que sea mayor o igual a 0.7 veces el

radio del bulbo de esfuerzos, el cual se expresa de la siguiente manera:

√ ( √

)

Dónde:

ae= Radio del bulbo de esfuerzos en la interface estructura- sub-rasante en pulgadas.

a: Radio del plato de carga del Deflectometro en pulgadas

D: espesor de las capas del pavimento en pulgadas

Ep: Modulo efectivo de todas las capas del pavimento por encima de la sub-rasante en psi.

El modulo efectivo evidencia la rigidez aportada por las capas del pavimento y sus

materiales, para determinar este parámetro se usa la siguiente expresión.

{

√ (

√

)

[

√ ( )

]

}

42

Dónde:

Do: Deflexión central

P: Presión del plato de carga, psi.

a: Radio del plato de carga en pulgadas

D: Espesor total de las capas del pavimento sobre la sub rasante en pulgadas

MR: Modulo resiliente de la sub rasante en psi

Ep: Modulo efectivo de las capas que conforman el pavimento en psi.

Al tener esta serie de expresiones donde cada una nos determina un parámetro para

establecer el valor del MR, pero cada uno de estos esta correlacionado, el módulo resiliente

(MR) será hallado por medio de parámetros matemáticos, usando métodos numéricos el cual

realiza una función cíclica de la cual obtenemos una aproximación del valor máximo de este.

4.1.4 Calculo de CBR por deflectometro de impacto.

Para obtener el valor de CBR del tramo de vía en estudio procedente del ensayo de

Deflectometro de impacto, es necesario obtener el resultado del Módulo Resiliente (MR), para

ello se usan las ecuaciones de acuerdo con la metodología de diseño AASTHO descritas

anteriormente; las cuales son solucionadas por medio de métodos numéricos debido a que el

origen de los valores que se correlacionan conllevan a una función cíclica de la cual se obtiene

una aproximación del valor máximo de ésta.

Una vez aplicados métodos numéricos para la obtención del MR, se realiza el cálculo del

CBR correspondiente a la sub-rasante, en donde se utilizan para ello tres métodos diferentes para

posteriormente hacer un promedio y de este modo estimar el valor de CBR.

43

- Correlación de Shell

- Correlación Powell Et Al:

- Correlación AASTHO:

Promediando los tres resultados se obtiene un valor del CBR=3.38.

4.2 Comparación de las propiedades del suelo

Basados en los ensayos de laboratorios realizados, se compara las propiedades de los suelos

para determinar los cambios que ha sufrido el suelo que ha estado sometido a cargas.

Para dicha comparación se extraen propiedades mecánicas tales como la relación de vacíos,

el porcentaje de humedad natural y el coeficiente de consolidación. A continuación, se presenta

la relación de los datos mencionados proporcionados por los apiques realizados en sitio.

Tabla 6. Suelo sometido a cargas

APIQUE

1 2 3

е 0,96 0.85 0.92

W 35,74 30,96 34.01

Cv 0,00268 0,00898 0.00219

45

Tabla 7. Suelo natural

APIQUE

1 2 3

е 1,21 1,34 1,03

W 41,45 49,75 40,08

Cv 0,000329 0,000329 0,000329

46

De acuerdo con los datos obtenidos se puede evidenciar de cada uno de los parámetros lo

siguiente:

- Relación de vacíos (e): la relación de vacíos disminuye en el suelo con afectación de carga

debido a la compactación generada por las cargas vehiculares a la que es sometida.

- Humedad natural (w): la humedad natural disminuye en el suelo con afectación de carga

debido al esfuerzo al que es sometido respecto al suelo natural.

- Consolidación (Cv): el coeficiente de consolidación aumenta por tres factores principales, los

cuales son: La compactación mecánica de la sub rasante previa a la construcción de la vía, la

carga generada por la estructura de la vía y las cargas del tránsito de la zona.

4.3 Determinación del Numero de Eje Equivalentes

El termino ejes equivalentes “Es la cantidad pronosticada de repeticiones del eje de carga

equivalente de 18 kips (8,16 t = 80 kN) para un periodo determinado, se utilizó esta carga

equivalente por efectos de cálculo ya que el transito está compuesto por vehículos de diferente

peso y numero de ejes.

47

La vía en estudio cuenta con un pavimento tipo flexible, por lo tanto, se estima un

periodo de diseño de 10 años; por consiguiente, se determina el transito del tramo de vía con el

procedimiento de ejes equivales de 8.2 toneladas. A continuación, se muestra el proceso para

obtener mencionado valor:

De los datos obtenidos del aforo vehicular se deriva la composición que se expone en la

siguiente tabla:

Tabla 8. Composición vehicular

COMPOSICIÓN VEHICULAR

A B C2 C3 C3S2 C3S3

1648,67 498 532,33 32 35,67 11

1648,67 498 611

59,78% 18,06% 22,16%

Con la composición de vehículos y con su crecimiento anual, se calculó la rata de

crecimiento para cada tipo de vehículo, con el fin de calcular el número de vehículos en el

periodo de diseño (NVPD).

La rata de crecimiento del tránsito (r) se estableció teniendo en cuenta y analizando

factores sociales y económicos tales como crecimiento del producto interno bruto y crecimiento

del parque automotor de la zona en la cual de ubica el tramo de vía en estudio. De esta manera se

establecieron los valores de r para los diferentes tipos de vehículo, expuestos en la siguiente

tabla:

Tabla 9. Tasas de crecimiento obtenidas

TIPO VEHICULO r%

AUTOS TPD 0,017

BUSES TPD 0,027

CAMIONES TPD 0,02

48

Una vez obtenida la rata de crecimiento y con la composición vehicular, se calcula el

número de vehículos en el periodo de diseño (NVPD) establecido para el tipo de pavimento de la

vía.

Tabla 10. Número de vehículos en el periodo de diseño

TIPO VEHICULO NVPD AÑO

AUTOS TPD 6.499.485,14

BUSES TPD 2.055.228,02 2028

CAMIONES TPD 2.441.952,03

Considerando que para los diseños de pavimento se toman únicamente los valores de

transito de los camiones, a continuación, se presentan los porcentajes de incidencia de cada tipo

de camión frente al total de camiones, adicionalmente la concurrencia de los mismos respecto del

número de vehículos en el periodo de diseño de camiones.

Tabla 11. transito promedio diario semanal de camiones

TPDS CAMIONES

TOTAL C2 C3 C3S2 C3S3

611,00 532,33 32,00 35,67 11,00

87,12% 5,24% 5,84% 1,80%

Tabla 12. Concurrencia de camiones vs NVPD

TOTAL C2 C3 C3S2 C3S3

Concurrencia % 0,8712 0,0524 0,0584 0,018

2.441.952,03 2.127.428,61 127.958,29 142.610,00 43.955,14

4.3.1 Calculo de factores de daño.

Los factores de daño se determinan por cada uno de los tipos de vehículos que se

contemplan para el diseño de pavimento, los cuales, dependen de los factores equivalentes (Fe).

49

Los factores equivalentes son los que establecen la equivalencia “en daño” de un eje

cualquiera respecto a un eje estándar, el cálculo de los Fe se realiza por cada uno de los ejes del

vehículo, mencionado factor se calcula de la siguiente manera:

(

)

Una vez determinados los Fe de daño por cada tipo de vehículo, se determina el factor de

daño de la siguiente manera:

∑

En la siguiente tabla se presentan los resultados de los factores de daño calculados:

Tabla 13. Calculo factores de daño por vehículo

C2P

4 0,26 SUMATORIA

FD = 1,71 9 1,45

C3

5 0,64 SUMATORIA

FD = 1,39 14 0,76

C3S2

6 1,32 SUMATORIA

FD = 3,18 13 0,56

16 1,29

C3S3

7 2,44 SUMATORIA

FD = 5,15 16 1,29

24 1,42

50

Tabla 14. Resumen de factores de daño

FACTORES DE DAÑO

C2P 1,71

C3 1,39

C3S2 3,18

C3S3 5,15

BUS GRANDE 1

4.3.2 Calculo de número de ejes equivalentes.

Una vez conocidos los factores de daño y la concurrencia por tipo de vehículo, se procede

con la determinación del número de ejes equivales de 8.2 T, el cual resulta de la multiplicación

de cada factor de daño por la concurrencia correspondiente de cada vehículo, en la siguiente

tabla se presenta la información mencionada:

Tabla 15. Número de ejes equivalentes

NUMERO EJES EQUIVALENTES

C2P 2.127.430,32

C3 127.959,68

C3S2 453499,7952

C3S3 226368,9531

BUS GRANDE 2.055.228,02

TOTAL (N) 4,99,E+06

El valor obtenido para N permitirá que más adelante se pueda determinar el número

estructural SN para el diseño del pavimento.

4.4 Calculo del CBR del terreno natural

Teniendo en cuenta que la estructura de pavimento no superara el 1.50 metros de altura se

toma como referencia el CU proporcionado entre el 1.10 m y 1.40 m de cada muestra tomada en

51

los apiques del parque Las margaritas, para así determinar el valor del CBR en el terreno natural

mediante la siguiente formula:

*fórmula para suelos naturales arcillosos, no saturados.

Donde CU debe ingresarse en Kg/cm2.

Los datos por apique se muestran a continuación:

Tabla 16. Datos de Apiques

APIQUE 1

PROFUNDIDAD CU (T/M2) CU (Kg/cm2) CBR

1 4,8 0,48 3,2929

1,1 4,2 0,42 3,0330

1,8 4,8 0,48 3,2929

APIQUE 2


0,6 6 0,6 3,8447

1,2 4,8 0,48 3,2929

1,8 4,2 0,42 3,0330

APIQUE 3


0,8 6 0,6 3,8447

1,4 3,6 0,36 2,7838

1,8 5,4 0,54 3,5635

Con los valores de CBR obtenidos a partir de los ensayos de laboratorio de cada apique,

se procede a establecer el valor aproximado del CBR del terreno natural por el método del

percentil

Tabla 17. Organización CBR sub-rasante natural, y estimado en porcentaje.

CBR CBR-Ordenado %

3,2929 3,0330 100%

52

3,0330 3,2929 66,67%

3,5635 3,5635 33,33%

Teniendo en cuenta que para este proyecto el trafico automotor según aforos tomados los

días 14, 15 y 16 de diciembre del 2018, con proyección a 10 años, se obtiene un parque

automotor de 5 millones aproximadamente, nos encontramos en el rango (500.000 – 5.000.000)

por lo tanto tomamos el 75% del CBR. Según la tabla Pavimentos asfalticos, Sánchez F. (2016).

Ilustración 7. Obtención del valor de CBR

De esta manera se obtiene por el método del percentil el CBR aproximado del terreno

natural con un valor del 3.2337%.

4.5 Valores de CBR obtenidos

Una vez realizados los ensayos respectivos tanto para el tramo de vía en estudio como para la

zona adyacente a esta, se obtuvieron los siguientes valores de CBR

53

Tabla 18. Resumen de CBR Obtenidos

ZONA VALOR OBTENIDO

TRAMO DE VÍA CBR DEFLECTOMETRIA 3.23%

PARQUE LAS MARGARITAS CBR NATURAL 3.38%

Como se observa en la tabla, el mayor valor obtenido resultó del ensayo de deflectómetro

efectuado en el tramo de vía en estudio, por lo tanto, con este valor de 3.38% se procede a

realizar el diseño de pavimento respectivo, teniendo en cuenta los datos obtenidos de tránsito

para esta zona.

4.6 Diseño de pavimento

De acuerdo con el objetivo general de este proyecto, se llevará a cabo un diseño de

pavimento con el valor del CBR obtenido del ensayo de deflectómetro de impacto ya que este

corresponde a las condiciones de resistencia actuales de la vía. Como se ya evidenció, el valor de

CBR de diseño es de 3.38%, con este dato se procederá con el diseño de un pavimento tipo

flexible con un periodo de diseño de 10 años.

4.6.1 Parámetros de Diseño.

Para llevar a cabo el diseño del pavimento flexible para la zona en estudio, se determinaron

los siguientes parámetros, teniendo en cuenta las características propias del lugar:

- Módulo de elasticidad:

Para la selección del módulo de elasticidad de la carpeta asfáltica, se usó como guía la

información consignada en la siguiente tabla, considerando la temperatura de la zona:

54

Ilustración 8. Valores típicos de modulos de elasticidad

Para el proyecto se toma como módulo de elasticidad (E1) = 350.000 PSI.

Los siguientes parámetros son definidos teniendo en cuenta la ubicación, tipo de

pavimento y estándares de diseño:

- Confiabilidad (R)

Tabla 19. Valores del nivel de confianza R

TIPO DE VIA URBANA RURAL

Autopista 85 - 99.99 80 - 99.99

Arterias Principales 80 - 99 75 - 95

Colectoras 80 - 95 75- 95

Locales 50 - 80 50 - 80

Nota: tomado de AASHTO Guide for designing of pavement Structures 1993

De acuerdo con el tipo de vía, se selecciona un R = 90 para Arteria Principal.

- Error Estándar (So)

55

Para pavimentos flexibles hay un rango establecido entre 0,40 y 0,50, para este caso se toma

un valor de 0,45 debido a que se trata de una construcción de pavimentos nueva.

- Servicialidad final (Pt) = 2.5 para autopistas y arterias

- Calidad de drenaje = Bueno

- Intensidad de lluvias = 20%

- Categoria de transito = T4, la categoria de transito se determina de acuerdo con el N obtenido

para el proyecto, con base en ésta categoria se escogen los valores de CBR para las capas

granulares.

- W: número de ejes equivalentes de 8.2 toneladas en el periodo de diseño: 4,99, E+06

Teniendo en cuenta las variables de las formulas descritas en el metodo AASHTO, se

determinan los valores de las mismas, de acuerdo con las siguientes graficas:

- a1: 0.38

E1= 350000 PSI

56

Ilustración 9. Grafico para determinar el coeficiente estructural (a1) de la mezcla asfáltica

Tomado de: AASHTO Guide for designing of pavement Structures 1993

- a2: 0.139

E2= 29.000 PSI

57

Ilustración 10. Grafico para determinar el coeficiente estructural (a2) de la base granular.

Tomado de: AASHTO Guide for designing of pavement structures 1993.

- a3: 0.127

E3= 18.000 PSI

58

Ilustración 11. Grafico para determinar el coeficiente estructural (a3) de la Sub base granular

Tomado de: AASHTO Guide for designing of pavement structures 1993.

59

De igual forma de establecio el valor para m2 y m3 teniendo en cuenta los valores

recomendados de coeficientes de drenaje de acuerdo con la guia de diseño AASTHO, obteniendo

un valor de 1.04.

Una vez establecidos los parametros de diseño, con la ayuda del software AASHTO 93,se

procede con el calculo de los SN (numeros estructurales) necesarios con el fin de establecer los

espesores de la estructura de pavimento en estudio

A continuación, se presenta el proceso que se llevó a cabo, para el cálculo de SN para cada

capa de la estructura:

- Con el valor de MR para la sub rasante se obtiene un SNreq = 5.07”

Ilustración 12. Obtención de SN para Sub rasante

60

- SN para sub base granular = 2.70”

Ilustración 13. Obtención de SN para sub base granular

- SN para base granular = 3.25”

61

Ilustración 14. Obtención de SN para base granular

4.6.2 Determinación de los espesores de capas.

Una vez obtenidos los coeficientes estructurales (a1, a2 y a3), los coeficientes de drenaje (m2

y m3) y los números estructurales (SN), se procede a calcular los espesores de capas de la

siguiente manera:

- Espesor carpeta asfáltica

62

Se aproxima el espesor e1 a 19 cm

- Espesor base granular

(

)

Se aproxima el espesor a 10 cm

- Espesor de la sub base granular

(

) (

)

Se aproxima el espesor a 35 cm

Obteniendo así la siguiente estructura de pavimento:

CA

BG

SBG

De acuerdo con estos espesores obtenidos se determina el SN aportado por la estructura:

(

) (

) (

)

19 cm

10 cm

35 cm

63

El SN aportado es mayor al SN requerido, sin embargo, se debe tener en cuenta que en

una estructura de pavimento, el espesor de una capa inferior no puede ser menor al espesor de la

capa superior, por lo tanto se cambian los espesores, obteniendo los siguientes:

CA

BG

SBG

Obteniendo con estos nuevos espesores:

(

) (

) (

)

4.1.1 Costo directo nuevo diseño de pavimento.

Teniendo en cuenta el valor promedio para un metro cuadrado de estructura de pavimento

flexible, se hace el costeo para los dos tipos de estructuras buscando un comparativo en valor de

pesos colombianos (COP):

Valor real para un metro cuadrado de estructura de pavimento:

RODADURA ASFALTICA COMPACTA m3 $ 65,498.29

RELLENO COMPACTADO BASE

GRANULAR TIPO m

3 $ 115,837.00

RELLENO COMPACTADO SUBBASE

GRANULAR TIPO m

3 $ 111,196.00

RELLENO RAJON Y SUAVIZADO CON

AFIRMADO m

3 $ 25,523.10

20 cm

25 cm

25 cm

cm

64

Tabla 20. Costo de materiales para un metro cuadrado del pavimento existente.

Tabla 21. Costo de materiales para un metro cuadrado del pavimento nuevo.

De esta manera se evidencia que el valor para la estructura de pavimento disminuye en $39.254

pesos (COP) aproximadamente en un 45% del valor directo inicial.

CUADRILLA OBREROS 15,970.29$

EXCAVACION 31,877.98$

IMPRIMACION 2,140.00$

GEOTEXTIL FORTEX BX 40 SEPAR+ESTABILI 12,256.00$

HERRAMIENTA MENOR % 19,014.93$

VIBRO COMPACTADORA (7 Tn) 4,035.06$

ESTRUCTURA EXISTENTE

CA (0.18m) $11.462,20

BG (0.40m) $46.334,80

SB (0.45m) $57.695,13

TOTAL $115.492,13

ESTRUCTURA NUEVA

CA (0.20m) $13.099,66

BG (0.25m) $28.959,25

SB (0.25m) $34.179,78

TOTAL $76.238,68

65

Capitulo V. Conclusiones

Al realizar los respectivos ensayos de la sub-rasante natural y la sub-rasante sometida a

cargas vehiculares, se encontró que la sub rasante sometida a cargas vehiculares mejoro en un

0.15% desde que fue instalada la estructura del pavimento hasta la fecha de la toma de las

muestras para ensayos, lo cual indica que las partículas se consolidaron, por lo tanto, se obtiene

un comportamiento más eficiente en el suelo.

Los resultados de retro cálculo para el MR fueron susceptibles a la temperatura ambiente,

encontrando que los coeficientes de ajuste determinados influyen sobre el comportamiento de la

estructura del pavimento al momento de soportar cargas.

Se analizó estudios de suelos compuestos por perforaciones las cuales se encontraron

entre 0 y 4 m de profundidad aproximadamente, los ensayos de laboratorio mostraron

disminución en las propiedades físico mecánicas en las zonas donde ha soportado cargas

externas como lo son la estructura del pavimento y las cargas vehiculares determinadas en la

zona.

66

Se observó una posición de nivel freático por debajo de la zona estudiada por lo cual la

mayoría de las muestras no se encontraron en condición saturada para el proceso de

consolidación.

Al ser analizados de forma independiente las muestras de suelo natural y suelo sometido a

cargas en función de su uso, se observaron diferencias significativas entre los parámetros

establecidos inicialmente, los cuales determinan los cambios generados en el suelo producto de

acciones externas que alteran sus propiedades físico mecánicas.

Se evidencia que los materiales granulares incrementan su MR a medida del esfuerzo al

que son sometidos como las cargas vehiculares.

Se corroboro con base en estudios semejantes, que la sub-rasante mejora una vez es

sometida a esfuerzos o cargas externas continuamente.

Los resultados arrojados por el cálculo de métodos numéricos son susceptibles a

expresiones como la temperatura, zonas de aplicación de carga y tiempo de aplicación, por lo

tanto, es importante escoger de manera minuciosa el método más adecuado, con menor

probabilidad de error con el fin de obtener resultados con rango bajo de error.

Al realizar el nuevo diseño se encontró que en las capas de la Base y la Sub-base granular

hubo una reducción del 45% aproximadamente, lo que genera disminución en los costos y en los

tiempos de ejecución en un posible mantenimiento vial futuro.

67

REFERENCIAS

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