Catálogo de secciones estructurales de pavimentos para la República Mexicana

M. en I. Víctor Alberto Sotelo Cornejo

Director de Estudios de la DGST-SCT

vsotelo@sct.gob.mx

Dr. Mauricio Centeno Ortiz

Soluciones e Ingeniería en Vías Terrestres, S.A. de C. V.

maucenteno@hotmail.com

Introducción

En México se está realizando una fuerte inversión en carreteras. Cada administración asigna una

mayor cantidad de recursos económicos a la construcción de nuevas carreteras y la conservación

de las actuales. Esta tendencia parte del reconocimiento de que la infraestructura (en particular

las carreteras), es necesaria para detonar el desarrollo económico del país.

Dada esta tendencia es necesario hacer un alto y reconocer que no solo se necesitan más recursos

económicos para mejorar la infraestructura, sino que se debe utilizar de una manera más racional

buscando obtener el máximo beneficio de la inversión.

Ante esta necesidad la Dirección General de Servicios Técnicos (DGST) de la Secretaría de

Comunicaciones y Transportes (SCT), como responsable de brindar apoyo técnico integral y

multidisciplinario para la planeación, estudio, diseño, proyecto, construcción, conservación y

operación de la red nacional de carreteras, se ha planteado diferentes tareas en las que utilizando

tecnología de punta, se provean soluciones que permitan optimizar los recursos y se maximice la

inversión que se realiza en el sector.

Una de las tareas planteadas fue el desarrollo de una metodología para la revisión y diseño de

pavimentos para carreteras, ya que la Dirección General de Servicios Técnicos, en sus tareas

cotidianas, diseña y revisa proyectos para la construcción, rehabilitación y modernización de

carreteras, por lo que planteó la realización de un “Catálogo de secciones estructurales de

pavimentos”, que contribuya a que las carreteras de nueva construcción y las existentes

rehabilitadas, cuenten con una estructura mínima de pavimento que asegure un buen

comportamiento ante las cargas de tránsito, durante su horizonte de proyecto.

En dicho “Catálogo de Secciones Estructurales de pavimentos para la República Mexicana” se

incluyen pavimentos flexibles, rígidos y mixtos, para carreteras normales y de altas

especificaciones.

Objetivo del proyecto

La Dirección General de Servicios Técnicos llevó a cabo durante el año 2012, un proyecto para el

desarrollo de un “Catálogo de secciones estructurales de pavimentos para la República

Mexicana”. El objetivo principal del trabajo fue el desarrollo de una herramienta que permitiera

verificar de manera rápida que los proyectos de espesores de pavimentos que se ejecutarán en el

futuro en México tengan una estructuración mínima que asegure alcanzar la vida de proyecto

definida.

Los catálogos de secciones estructurales para pavimentos no representan una idea nueva. En otros

países con pavimentos con elevados niveles de servicio, se ha venido utilizando esta herramienta

de manera regular. Los catálogos han servido como referencia para determinar los espesores

mínimos y las propiedades mecánicas de los materiales que se utilizan en la integración de

pavimentos.

Cabe hacer la aclaración que todos los catálogos parten de la integración de una gran cantidad de

variables en un número reducido de ellas, buscando que el catálogo sea práctico y aplicable a la

mayoría de las situaciones. Es por ello que existen casos particulares que no están considerados y

para los cuales es mandatorio un diseño de pavimentos específico. Incluso, se debe considerar

obligado cualquier diseño de pavimento desarrollado ex profeso para un proyecto en particular

sobre lo indicado en el catálogo, el cual debe concebirse como una guía de los espesores mínimos

que debe tener una estructura de pavimento.

Desarrollo del proyecto

Para el desarrollo del Catálogo se definieron con toda precisión los diferentes tópicos relacionados

con el diseño de las estructuras de pavimentos, como son: las variables que influyen en el

comportamiento mecánico de los pavimentos, los procedimientos de evaluación de materiales

(incluido el plan de muestreo), el tránsito y los métodos de diseño de espesores de pavimentos

utilizados en México.

Para la planeación del proyecto se determinaron las siguientes actividades:

1. Regionalización de la República Mexicana por tipo de terreno natural y factores climáticos

2. Definición de rangos de tránsito en función del análisis de datos viales del país

3. Muestreo y evaluación de materiales

4. Diseño de estructuras de pavimentos

5. Integración del documento final

A continuación se describe de manera breve la metodología seguida para el desarrollo de cada una

de las etapas del proyecto.

1. Regionalización de la República Mexicana

La regionalización del país se realizó considerando las variables que tienen mayor influencia en el

comportamiento estructural de los pavimentos, esto es, el terreno natural, las temperaturas

máximas y mínimas y la precipitación pluvial máxima.

Estas variables distribuidas en el territorio nacional abarcan una gran diversidad de valores, por lo

que para facilitar su manejo se utilizó un Sistema de Información Geográfica (SIG) mediante el

software ArcMap versión 9.3. Así, esa gran cantidad de datos se pudo distribuir espacialmente por

variable, para posteriormente definir zonas (por rangos) que compartían valores para cada

indicador, cada una de las cuales se denominó región.

De esta manera fue posible establecer para cada región un valor crítico para cada una de las

variables (terreno natural, temperaturas y precipitación) para realizar el diseño de los espesores

de pavimentos con los materiales definidos.

Terreno natural

Para el análisis del terreno natural se estableció como base el Sistema Unificado de Clasificación

de Suelos (SUCS) como el parámetro para catalogar la diversidad de suelos del país. Se utilizó el

SUCS ya que es ampliamente conocido en el medio y con aplicación universal en el campo de la

mecánica de suelos.

La DGST a través de las Unidades Generales de Servicios Técnicos (UGST) obtuvo la información de

los diferentes tipos de suelos que conforman el territorio nacional, utilizando la clasificación SUCS,

y el CBR para los diferentes tipos de terreno natural que existen en cada estado de la República.

Esta información surgió de los registros de los estudios (dictámenes) realizados durante varios

años en las carreteras de cada estado.

La DGST concentró esta información, la que sirvió de base para determinar las características de

los suelos que se tienen en el país. Esta información se clasificó y se integró al SIG antes

mencionado. En el SIG se realizaron una serie de aproximaciones gráficas de los datos puntuales

de tipo de terreno natural para generar regiones con los diferentes tipos de suelos. El resultado de

esas operaciones gráficas se muestra a continuación.

Figura 1. Regionalización del terreno natural por tipos de suelos (SUCS) y rocas

Temperaturas máximas y mínimas, y precipitación máxima por región

Para la información geográfica se recurrió a la base de datos del Sistema Meteorológico Nacional.

Se consideró la información diaria del 2007 al 2011 para cada estación hidrométrica en cuanto a

temperaturas y precipitación.

Con la información de las estaciones hidrométricas se llevó a cabo un procedimiento similar al

llevado a cabo con los datos del terreno natural. En el cual se elaboró una serie de operaciones

gráficas en el SIG para determinar regiones con temperatura máxima, temperatura mínima y

precipitación máxima dentro de los rangos establecidos. Estos rangos se definieron en función de

los valores máximos y mínimos para cada variable, buscando que el número de estaciones que

hubiera en cada rango fuera el mismo. El resultado de esta zonificación para cada variable se

muestra en las siguientes figuras.

Figura 2. Zonificación de la República Mexicana por rangos de temperatura máxima

Figura 3. Zonificación de la República Mexicana por rangos de temperatura mínima

Figura 4. Zonificación de la República Mexicana por rangos de precipitación máxima

Integración de variables

Una vez definidas las variables climáticas (temperatura y precipitación) y sus zonas por rangos, se

realizó la integración de toda la información (superposición de los mapas de las figuras 2 a 4). Este

proceso también se realizó mediante operaciones gráficas que dieron como resultado el mapa que

se muestra a continuación.

Figura 5. Regionalización de la República Mexicana con la integración de variables climáticas (temperatura y precipitación) con tipos suelos en el terreno natural

Esta regionalización es meramente referencial. Dentro del catálogo se muestra el procedimiento

que hay que seguir para determinar para un proyecto específico cuál es la región a la que

pertenece.

La selección de la región (R) donde se encuentra el proyecto es de suma importancia, ya que junto

con el tránsito se hace la elección de las secciones estructurales adecuadas para el pavimento

analizado.

2. Definición de rangos de tránsito

Para la evaluación y clasificación del tránsito se determinó llevar a cabo el análisis mediante la

conversión del tránsito a ejes equivalentes de 8.2 t, siguiendo el procedimiento establecido por el

Instituto de Ingeniería de la UNAM. Se eligió este procedimiento ya que es de uso común entre los

proyectistas del país desde hace muchos años.

Los tramos que se consideraron para el cálculo del tránsito para un periodo de proyecto de 20

años fueron los mismos que se tomaron para el muestreo de materiales, además de otros

adicionales. Este muestreo de los tránsitos del país engloba desde autopistas hasta carreteras

pavimentadas de bajo tránsito.

Se calcularon los tránsitos, los cuales iban desde un millón de ejes equivalentes en el horizonte de

proyecto hasta casi 100 millones de ejes equivalentes para el mismo proyecto. Analizando los

datos se determinó que la EE (suma de ejes equivalentes) para un periodo de proyecto de 20

años, se podría agrupar en 5 rangos de acuerdo a la tabla que se muestra a continuación.

Rangos de tránsito EE1 EE2 EE3 EE4 EE5

Suma de ejes sencillos

equivalentes < 10,000,000

10,000,000 -

20,000,000

20,000,000 -

40,000,000

40,000,000 -

80,000,000 > 80,000,000

Tabla 1. Rangos de tránsito definidos para el Catálogo de Secciones

Estos rangos de tránsito pretenden agrupar todos los niveles de tránsito que se presentan en el

país. Adicionalmente y con base en la experiencia con que se cuenta en el medio, se establecieron

estos rangos con el propósito de agrupar tránsitos que requieren estructuras similares y separar

aquellos tránsitos que requieren de estructuras más robustas.

3. Muestreo y evaluación de materiales

El muestreo y evaluación de materiales utilizados en carreteras en México se realizó de dos

maneras. La primera fuente fue el material proveniente de sondeos realizados en carreteras

existentes. En estos sondeos se extraía material representativo de cada capa y se llevaba al

laboratorio para su evaluación. La segunda fuente de materiales fue el proveniente de diferentes

bancos.

El muestreo de materiales siguió un plan que entre otros objetivos buscó ser incluyente de todos

los materiales que se utilizan en carreteras en el país. Para ello geográficamente se realizó la

selección de los sitios donde se iban a extraer las muestras.

Los sondeos se realizaron en las carreteras que se muestran en el siguiente mapa.

Figura 6. Distribución de los sondeos en la República Mexicana

Una vez realizados los sondeos, el material se envió al laboratorio para su evaluación. La

evaluación de los materiales consistió en realizar los ensayos indicados en la Normativa para la

Infraestructura del Transporte para cada uno de los materiales según correspondía. A los

materiales granulares se le realizaron ensayos geotécnicos (de caracterización), CBR y módulo

resiliente (según la norma AASHTO T307). Para el caso de las mezclas asfálticas se realizó el ensayo

de módulo resiliente (de acuerdo a la norma ASTM D4123) y para el caso del concreto hidráulico

se realizó el ensayo de resistencia a compresión simple para obtener su f’c.

Con la gran cantidad de ensayos practicados se realizó un análisis de la información y se

determinaron valores mínimos de módulo Resiliente y f’c, según corresponda, que deberán

cumplir los materiales que son utilizados en la construcción o rehabilitación de carreteras. Los

valores encontrados son parte del catálogo, ya que definen las restricciones a las propiedades

mecánicas para los materiales por utilizar. Estos valores se muestran en la siguiente tabla.

Módulos Resilientes, kg/cm2

CA BH BEA SB SR

≥ 35,000 ≥ 3,000 ≥ 30,000 ≥ 2,000 ≥ 1,200

CA = Carpeta Asfáltica, BH = Base Hidráulica, BEA = Base con Asfalto, SB = Subbase, SR = Subrasante

Tabla 2. Características mecánicas mínimas para los materiales

Para el concreto hidráulico se considera un f’c mínimo a los 28 días de 350 kg/cm2 y un módulo de

reacción de la subrasante (k) de 17 kg/cm3.

4. Diseño de estructuras de pavimentos

El diseño de estructuras de pavimentos se llevó a cabo utilizando dos métodos que han sido

utilizados por mucho tiempo en nuestro país. Estos son: Método de diseño para pavimentos

flexibles del Instituto de Ingeniería de la UNAM (en su versión computarizada, DISPAV) y para

pavimentos rígidos y mixtos el método de AASHTO en su versión del año 1993.

Las estructuras de pavimentos diseñadas consideraron los valores más críticos tanto para la

resistencia de materiales como para las temperaturas, terreno natural, precipitación y tránsito

para el rango correspondiente. De esta manera se puede asegurar que las estructuras propuestas

son adecuadas para cualquier condición considerada en ese rango de valores.

5. Integración del documento final

En el documento final se agruparon todos los resultados que se han mostrado en este artículo.

Esta integración buscó proveer al usuario del Catálogo de una guía de fácil utilización para poder

seleccionar entre las alternativas propuestas (para las condiciones particulares del proyecto),

aquella que resulte económicamente más conveniente. Y no solo eso, sino que, como se mencionó

al principio de este documento, se pudiera utilizar el Catálogo para comparar las estructuras

propuestas con los diseños de pavimentos que se encuentren en revisión.

El documento final se integró por diferentes apartados, donde se explica la metodología de

utilización del mismo, definición de región del proyecto, el ámbito de aplicación, los objetivos,

definiciones, ejemplo, anexos y las secciones de pavimentos.

A continuación se muestra una parte del Catálogo, con la cual se pretende ejemplificar la manera

en la cual se organizaron las secciones estructurales.

Figura 7. Ejemplo de organización de opciones de estructuras para una región y tránsito dados

Tal como se observa en la figura 7 para cada par de valores de rango de tránsito (EE) y región (R),

se tienen un conjunto de secciones estructurales, normalmente se encuentran al menos las

opciones de pavimento flexible y rígido. Estas secciones estructurales son equivalentes entre sí, es

decir, están proyectadas para un mismo horizonte de proyecto de 20 años.

El diseñador deberá seleccionar la sección que más le convenga desde el punto de vista de

inversión, disponibilidad de materiales, facilidad de construcción, prestaciones funcionales, etc.

Por lo tanto, para la utilización del catálogo, el último paso consiste en realizar un estudio costo-

beneficio entre las diferentes alternativas, a fin de seleccionar la mejor para las condiciones

particulares del proyecto.

En el Catálogo de secciones se incorporó un ejemplo de utilización para facilitar al usuario la

aplicación del documento.

Conclusiones

El Catálogo de secciones estructurales para pavimentos para la República Mexicana es una

aportación de la DGST-SCT a las personas involucradas en desarrollo de proyectos de estructuras

de pavimentos.

En su constitución el catálogo utiliza tanto técnicas de diseño bien conocidas como innovadores

métodos de ensayo de materiales. Así, la DGST-SCT ha logrado incorporar una herramienta

vanguardista para el diseño de pavimentos, sin perder la referencia respecto a lo que se puede

aplicar y lo que no se puede aplicar en México.

La siguiente etapa de este proyecto consiste en la difusión y aplicación del catálogo, buscando la

retroalimentación de los usuarios del documento, para sus posteriores mejoras.

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