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“Tecnología en Materiales Asfálticos”2019 MUJERES EN INGENIERÍA

Uso de Geotecnia en Suelos No

Saturados en el Diseño de

Pavimentos: Enfoque Empírico

Claudia E. Zapata Ospina

Universidad Estatal de Arizona

INTRODUCCIÓN

CONDICIONES AMBIENTALES

MODELOS DE PREDICCION DEL MODULO RESILIENTE

IMPLEMENTACION EN LA GUIA DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

CONCLUSIONES

CONTENIDO

CO

NT

EN

IDO

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Introducción

• Procedimientos para el diseño de pavimentos usados en el mundo entero, se han basado en la suposición costosa de que los agregados y los materiales de subrasante eventualmente se van a saturar durante la vida del pavimento.

• Sin embargo…• Mayoría de los suelos no están en un estado de total saturación

• Aunque el pavimento actúa como cubrimiento del material suelto, el contenido de humedad cambia con el tiempo, buscando un estado de equilibrio con el estado de presiones internas (succión)

• El estado de succión esta influenciado por el régimen climático y las propiedades del suelo.

Áreas con deficiencia de agua temporal:

65% ! (700 millones – 43 países)

Por definición, en climas de deficiencia de agua, la

evaporación mensual desde una superficie libre excede la

precipitación mensual a través del año

Fedderna, 2005

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NCHRP 1-37A

Design Guide

Desarrollo de la Guía de Diseño de

Pavimentos AASHTOware

2006

2010

2013

MEPDG…• Incorporó, por primera vez, una metodología de diseño para

sistemas de pavimentos, considerando:• Respuesta de los materiales en estado no saturado

• Técnicas de predicción basadas en condiciones ambientales específicas

• Esta presentación..• Descripción general del enfoque dado a la incorporación de

condiciones climáticas y los principios de la mecánica de suelos no saturados en la predicción del comportamiento de los materiales granulares y de subrasante en un sistema de pavimentos

• Mejoras a varios modelos posteriores al lanzamiento de la MEPDG

• Limitada a modelos que tienen en cuenta los efectos de cambios de humedad en el suelo, no de temperatura

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I of VIII: CondicionesAmbientales

Movimiento de humedad bajo estructuras

de pavimentoPara un nivel freático relativamente cercano a la superficie,

existe un potencial significativo de aumento de capilaridad

en suelos de subrasante

Point of

Interest

Suction

Profile, yw

Ground Surface

Water Table

Pavement Este supuesto es

apropiado solo cuando los

suelos se humedecen a

una saturación de 85% o

más

Houston et al. 2000

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Condiciones Ambientales

Precipitación Radiación solar Velocidad del viento

Temperatura Humedad relativa

PROPIEDADES DEL MATERIAL

Influencia en la rígidez de las capas

Factores Externos

Pavimento y Subrasante

Procesos Internos

Gradientes de humedad

Gradientes de temperatura

Ciclos de congelación/descogelación

Drenaje

Potencial de infiltración

Nivel de aguas freáticas

Dada la complejidad y la gran cantidad de variables, es

necesario representar el clima de una manera mas simple

TMI es un índice que indica la aridez o humedad relativa

de un sistema de suelo-clima determinado

Los factores incluidos en TMI son:

o Precipitación

o Almacenamiento/escurrimiento

(tipo de suelo)

o Temperatura ambiental

o Evapotranspiración

o Radiación solar

Indice de humedad de Thornthwaite (TMI)

Lytton et al. 1990

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P = Precipitación anual

PE = Evapotranspiración

f (temperatura)

10175

PE

PTMI

Indice de humedad Thornthwaite

modificado (TMI)

II:predicción de la succión de equilibrio bajo pavimentos

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Predicción de la succión de equilibrio

• El contenido de humedad debajo de los pavimentos alcanza una condición de equilibrio varios años después de la construcción• Aitchison and Richards 1965, Basma and Ai-Suleiman 1991, Richards 1965

• El microclima controla las condiciones de límite de flujo • Flujo lateral desde las bermas

Flujo vertical desde las grietas

• Evapo-transpiración

• Para modelar el movimiento del agua en losmateriales sueltos:• Necesidad de vincular las condiciones iniciales

y de límite de flujo impuestas por loscambios climáticos, al estado de presionesinternas del material

Debido a que el suelo está en un estado no saturado…

• La succión controla directamente la capacidad del suelo de retener la humedad; por lo tanto afecta significativamente:• la cabeza de presión total – que a su vez afecta el flujo de

humedad

• la conductividad hidráulica o permeabilidad

• Para considerar el efecto de los cambios de humedad en la resistencia al corte y el módulo de resiliencia, se debe caracterizar la succión matricial del suelo

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Proyecto NCHRP 9-23: Efectos Ambientales en

Mezclas y Diseño Estructural de Pavimentos

30 sitios

visitados enEstados Unidos Shoulder

Outside Lane

LEGEND:

Sample Locations near TDR Instrumentation

Traffic

Te

st S

ectio

n L

imit

Outer Wheel Path

5+00 ft TDR

Instrumentation

TEST SECTION

2-3 ft

10-20 ft

Jo

int/C

rack

21 3

S

Transition Zone

C

1

CSample Location near a Crack

Sample Location near Shoulder (Side Sample)S

3' 3'

5'-10'

12'

Fieldwork Groton, CT Perera 2008

En el desarrollo del modelo de predicción de succión…• Se obtuvieron Curvas Características de Suelo-Agua (SWCCs) de

Secado – también llamadas Curvas de Retencion de Humedad

• Los valores de succión matriciales in-situ se estimaron en función del contenido de humedad in-situ

• Los valores de succión fueron analizados con respecto a varios parámetros ambientales• Humedad relativa

• Precipitación anual

• Temperatura promedio

• Nivel de aguas freáticas

• Índice de humedad de Thornthwaite (TMI)

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Ejemplo: Modelo TMI-P200/wPI

Material de subrasante

Perera et al. 2004

Modelos TMI-Succión

La predicción de succión basada en TMI resultó mucho más superior a la predicción basada en la extrapolación ascendente tradicional desde el nivel de aguas freáticas

Los modelos son más fáciles de implementar con el concepto de TMI modificado

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III:Enlace entre succión y el contenido de agua

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Modelo de Succión de Fredlund and Xing (SWCC)

• 𝑆 = 𝐶(ℎ)1

𝑙𝑛 exp 1 +ℎ

𝑎𝑓

𝑏𝑓𝑐𝑓

• 𝐶 ℎ = 1 −𝑙𝑛 1+

ℎ

ℎ𝑟

𝑙𝑛 1+106

ℎ𝑟

Grado de Saturación

Succión Matricial

Fredlund and Xing 1994

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Más preciso

Equipo sofisticado

Alto costo

Mayor incertidumbre

Muy bajo costo

Mas fácil de implementar

Como se obtiene la SWCC?

Medición directa

Medición en el laboratorio

Plato de presión

Membrana de presión

Método con papel de filtro

Medición de campo

Sensores de

conductividad térmica

Tensiómetros

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Medición Indirecta de Succión

Aunque estos procedimientos introducen mayor incertidumbre en los resultados…

…el menor costo y la simplicidad son factores críticos que hacen que los métodos indirectos sean candidatos ideales para la implementación en la práctica de la ingeniería

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Estimación de la succión basada en las

propiedades básicas (Zapata 1999)

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Un modelo más reciente..

• Torres-Hernandez and Zapata (2011)

• Basado en informacián obtenida de1’227000 suelos

• Catálogo nacional disponible

con más de 36000unidades de suelo• 31876 suelos plásticos

• 4518 suelos no-plásticos

Origen de la base de datos• Servicio de Conservación de Recursos Naturales (NRCS)

– Inicialmente previsto para fines agrícolas

– Acuerdo conjunto con el entonces Bureau de Vías Públicas (BPR)

– Propiedades clave del suelo útiles en ingeniería de carreteras /

pavimentos

• Los datos son de dominio público y están disponibles en el sitio

web de Soildatamart http://soildatamart.nrcs.usda.gov/)

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• Propiedades Indice de Suelos

• Granulometría, límites de Atterberg

• Clasificación AASHTO

• Índice de Grupo

• Conductividad hidráulica saturada

• Nivel de aguas freáticas

• Annual average (32%), Seasonal (29%)

• Fredlund and Xing SWCC parameters (66%)

• CBR

o Estimado de propiedades índice

• Módulo de resiliencia

o Estimado del CBR

Propiedades recogidas o estimadas

IV:Enlace entre succión y módulo de resiliencia

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Modulo de resiliencia

32

11

k

a

oct

k

a

aRpp

pkM

Materiales sueltos sin congelación

Witczak and Uzan 1988

• MR utilizado para la caracterización de materiales sueltos es un parámetro fundamental en el diseño de pavimentos flexibles

• Esta propiedad no es constante, sino una función de diferentes factores:• estado de esfuerzos

• contenido de humedad, densidad seca

• número de repeticiones de carga

• energía de compactación

Modulo de resiliencia

• Varios autores han demostrado una fuerte correlación entre el módulo de resiliencia y la succión matricial• Khoury and Zaman 2004; Theyse et al. 2007, Sawangsuriya et

al. 2009

• Modelo Universal (Witczak and Uzan 1988) no incluye la succión como variable fundamental.

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Métodos para incorporar la succión en la predicción del módulo resiliente

1. Usar el concepto de esfuerzos efectivos para suelos saturados en suelos no saturados, según lo propuesto por Bishop• Bishop 1959, Yang et al. 2005, Liang et al. 2008

• Atractivo para propósitos de implementación, pero resultó inexacto para grados de saturación menores de 85%

Métodos para incorporar la succión en la predicción del módulo resiliente

2. Usar un factor que tenga en cuenta la contribución de la succión matricial independientemente de la contribución de las presiones aplicadas externamente

• De naturaleza empírica (enfoque desacoplado)

• Fácil de usar

• Fácil de implementar

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0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30

(S-Sopt)%

MR/M

Ro

pt

Coarse-Grained Materials

Fine-Grained Materials

Fine-Grained

Coarse-Grained

Dry of Optimum Wet of Optimum

Efecto de la humedad sobre el módulo

Andrei and Witczak 2003

0

2

4

6

8

10

12

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30

S-Sopt (%)

FU

-ST

D

- E

nv

iro

nm

en

tal

Fa

cto

r

wPI = 0

wPI = 10

wPI = 15

wPI = 20

wPI = 25

wPI = 5

wPI = 45

wPI = 40

wPI = 35

wPI = 30

wPI = 50

Cary and Zapata 2010

Métodos para incorporar la succión en la predicción del módulo resiliente

3. Considerando el MR como una función del estado de esfuerzos

• Fredlund and Rahardjo 1987

• Cary and Zapata modificado (Palanivelu 2016)

- Requiere pruebas de laboratorio para su calibración

- Fundamentalmente sano

)](),(),[( 313 waaR uuufM

𝑀𝑟 = 𝑧1. 𝑝𝑎 .𝜃𝑛𝑒𝑡

𝑝𝑎

𝑧2.𝜏𝑜𝑐𝑡

𝑝𝑎+ 1

𝑧3.𝛹𝑚0

𝑝𝑎+ 1

𝑧4

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V:Consideraciones del clima en la implementación de guías de diseño de pavimentos

Limitado!…

• Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO (1993)• Solo el 4% de su contenido está dedicado a la consideración

de factores ambientales en sus 580 páginas

• El modesto éxito de las correlaciones empíricas, como la CBR, ha retrasado la implementación de un enfoque más racional

• Guía de Diseño AASHTOware Pavement ME (2007)• Incorporó los conceptos y muchos de los modelos

presentados anteriormente por un modelo climático denominado Modelo Climático Integrado Mejorado (EICM)

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Factores climáticos

EICM

Propiedades del Material

Función de Transferencia(Empírica)

Rendimiento previstoAnálisis Mecanístico

Tráfico

El papel del EICM en la guía de diseño de

pavimentos AASHTOWare Pavement ME

Modelo de flujo de humedad y calor

unidimensional

Versión inicial (ICM) fue desarrollada para la

Administración Federal de Vías (FHWA) in 1989 o Lytton et al. 1989, Dempsey et al. 1985, Guymon et al. 1986,

Larson and Dempsey 1997.

Version EICM desarrollada en la Universidad

Estatal de Arizona (ASU)o Incorporada en la actual Guia de Diseño AASHTOWare

o Witczak, Houston and Zapata 2006

EICM

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Resultados generados por el Modelo

Climático EICM

Modelo Climático EICM

- Distribución de temperatura dentro

del sistema de pavimento en capas

- Profundidad de penetración de

escarcha y deshielo.

- Ciclos de congelación /

descongelación

- Modulo de agrietamiento térmico

- Módulo de deformación

permanente

- Módulo de agrietamiento por fatiga

- Grietas y fallas JPCP / Punchouts

CRCP

- Cambios en la humedad (succión)

- Factores de ajuste por efectos

ambientales en el módulo de

resiliencia

- Módulo de análisis de elementos

finitos

- Módulo de análisis linear-elástico

- Módulo de deformación permanente

para materiales sueltos

El número de parámetros de entrada que necesita el

EICM es bastante grande

Propiedades de los

materiales sueltos

Parámetros de la curva

característica agua-suelo

(succión)

Nivel de aguas freáticas

Información climática

+ 800 estaciones

o 10-15 años de datos

o Datos cada hora

Parámetros iniciales

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NIVEL 1

Ensayos de laboratorio o investigación de campo

NIVEL 2

Estimar las propiedades del material a través de correlaciones con otras propiedades del material

NIVEL 3

Estimar las propiedades del material con base en la experiencia local

Sistema jerárquico para determinar los

parámetros de entrada

Co

sto

Ince

rtid

um

bre

Nivel 1

• Gradación

• Límites de Atterberg

• Índice de Plasticidad

• Límite líquido

• Compactación

• Máximo peso unitario seco

• Contenido de humedadóptimo

• Permeabilidad a saturación

• Gravedad específica

• Parámetros de la curva de succión SWCC

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Uniendo todo…

SucciónMatricial

EntradaSWCC Contenido de

Humedad

TMI

Condiciones límite de flujof(Clima + NAF)

Propiedadesdel suelo

AjustesCongelación/

Deshielo

Fenv

Mr = Fenv x Mropt

Predicción de efectos ambientales en módulo resiliente

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VI:Medición de los efectos ambientales en la vida del pavimento

Efecto del clima sobre agrietamientoBottom up % Damage (Alligator Cracking)

0

100

200

300

400

500

600

700

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132

Time (Month)

Dam

ag

e (

%)

Phoenix Tenn. Mn

Phoenix

Tennessee

Minnesota

0

500

1000

1500

2000

2500

Barrow Fargo Billings Chicago

Environmental Location

Th

erm

al

Cra

ck

ing

Am

ou

nt

(ft/

mil

e)

Min. Air Temp.

(-47oF)

Min. Air Temp.

(-34oF)

Min. Air Temp.

(-29oF)

Min. Air Temp.

(-15oF)

Agrietamientolongitudinal

Agrietamientotérmico

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VII:Calibración a condiciones locales

La Guía de Diseño AASHTOWare es un producto

excelente y una mejora importante para la

tecnología actual, pero..

No espere predicciones

perfectas

Necesita calibración a condiciones de campo

locales

Calibración a condiciones locales

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part VIII: Concluyendo…

Por primera vez, una metodología que ajusta las propiedades

de los materiales debido a los efectos ambientales y basada en

principios de suelo no saturado, está disponible en el análisis y

diseño de pavimentos

Se obtienen predicciones más precisas del comportamiento del

pavimento debido a la incorporación de efectos ambientales en

tiempo real en un diseño Mecanístico-Empírico

El Modelo Climático es muy completo. Sin embargo, el enfoque

jerárquico permite utilizar información conocida en cada

agencia y modelos empíricos que aceleran en gran medida el

proceso de análisis

Concluyendo…

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Prof. Matthew Witczak

Prof. Bill Houston

Dr. Gant Yasanayake

Gracias al equipo de trabajo…

por último:Muchas gracias!

Preguntas?