Paquete Estructural 4m3y58

GOBIERNO AUTÓNOMO DEPARTAMENTAL DE LA PAZ

GEOVIAL C O N S U LT O R E S S R L

ÍNDICE DE CONTENIDO

1.

INTRODUCCIÓN............................................................................................................1

1.1 1.2 1.5 1.6

ANTECEDENTES....................................................................................................................... 1 OBJETIVO DEL DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS...................................................2 DETERMINACIÓN DEL ÁREA DE INFLUENCIA DIRECTA.......................................................7 ZONIFICACION DEL ÁREA DE INFLUENCIA............................................................................8

2.

VARIABLE ESTRUCTURAL........................................................................................10

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

CARACTERISTICAS GENERALES DEL PAVIMENTO FLEXIBLE...........................................10 SUPERFICIE ASFALTICA (CA)................................................................................................ 12 CAPA BASE GRANULAR (BS)................................................................................................. 14 CAPA SUBBASE GRANULAR (SB).......................................................................................... 15 SUBRASANTE.......................................................................................................................... 15

3.

VARIABLE TRÁNSITO................................................................................................16

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

TRAFICO ACTUAL (TA 2010)................................................................................................... 16 TRAFICO FUTURO (TF)........................................................................................................... 20 CARGAS................................................................................................................................... 20 CARGA EQUIVALENTE DE EJE SIMPLE (ESAL)...................................................................21 NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES ACUMULADOS (W18).................................................22

4.

ESTUDIO DE SUELOS................................................................................................26

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

TRABAJOS DE CAMPO........................................................................................................... 26 ENSAYOS DE LABORATORIO................................................................................................ 26 LABORES DE GABINETE........................................................................................................ 27 VALOR DE SOPORTE DEL TERRENO DE FUNDACIÓN (CBR)............................................27 MATERIALES........................................................................................................................... 30

5.

DISEÑO DEL PAVIMENTO FLEXIBLE SEGÚN LA GUÍA AASHTO 93.......................32

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11

VARIABLES DE TIEMPO.......................................................................................................... 32 TRÁNSITO................................................................................................................................ 33 CONFIABILIDAD...................................................................................................................... 33 SERVICIABILIDAD................................................................................................................... 35 COEFICIENTES DE DRENAJE................................................................................................ 37 NÚMERO ESTRUCTURAL....................................................................................................... 38 COEFICIENTE ESTRUCTURAL DE LAS CAPAS....................................................................39 MÓDULO RESILIENTE DE LA SUBRASANTE (MR)...............................................................44 CÁLCULO DE ESPESORES DE CAPAS DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTOS.............45 ESPESORES DE LAS CAPAS DE PAVIMENTO FLEXIBLE....................................................46 MEJORAMIENTO DE SUBRASANTE......................................................................................48

6.

SUPERFICIE GRANULAR DE RODADURA...............................................................49

6.1 6.2 6.3

MÓDULO RESILIENTE LA SUBRASANTE (MR).....................................................................49 COEFICIENTE ESTRUCTURAL.............................................................................................. 49 CÁLCULO DEL ESPESOR DE LA CAPA DE RIPIO.................................................................49

7.

RESUMEN DE ESPESORES.......................................................................................52

Mejoramiento Carretera Chachacomani – Millipaya – Cr. Sorata

PAQUETE ESTRUCTURAL i

GEOVIAL


C O N S U LT O R E S S R L

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.1 Área de Influencia Directa: Comunidades Beneficiadas...........................................7 Tabla 1.2 Zonificación del Área de Influencia Directa...............................................................8 Tabla 1.3 Zonificación del Área de Influencia Indirecta............................................................9 Tabla 2.1 Recomendaciones del Instituto del Asfalto.............................................................13 Tabla 2.2 Asfaltos líquidos.....................................................................................................13 Tabla 2.3 Emulsiones asfálticas.............................................................................................14 Tabla 2.4 Calidad de Suelos de Subrasante..........................................................................15 Tabla 3.1 Tránsito Semanal Total (TS) en la estación Chachacomani....................................17 Tabla 3.2 Tránsito Semanal Total (TS) en la estación Chachacomani....................................18 Tabla 3.3 Tránsito Futuro (TF)................................................................................................20 Tabla 3.4 Factores de Equivalencia Vehicular (FEVs)............................................................22 Tabla 3.5 Número de Ejes Equivalentes de 8,2 Tn (18 kip ESALs) Estimados para 15 años.24 Tabla 3.6 Número de Ejes Equivalentes de 8,2 Tn (18 kip ESALs) Estimados para 20 años.25 Tabla 4.1 Tipos de suelos por sub grupos, según la AASHTO y el Sistema Unificado, en la traza de estudio.......................................................................................................28 Tabla 4.2 Valores recomendados por el Instituto del Asfalto para la selección del CBR de Diseño..................................................................................................................... 30 Tabla 5.1 Periodos de análisis recomendados.......................................................................33 Tabla 5.2 Niveles de confiabilidad sugeridos para varias clasificaciones funcionales............34 Tabla 5.3 Valores recomendados para la desviación estándar (So).......................................35 Tabla 5.4 Índice de Servicialidad Presente............................................................................36 Tabla 5.5 Tiempos requeridos para drenar.............................................................................37 Tabla 5.6 Coeficiente de drenaje para pavimento flexible (mi)...............................................38 Tabla 5.7 Valores recomendados para el coeficiente estructural “a”......................................39 Tabla 5.8 Definiciones de gradación del HMA........................................................................40 Tabla 5.9 Guía general para tipos de mezcla apropiados para capas asfálticas....................42 Tabla 5.10 Coeficientes estructurales adoptados...................................................................44 Tabla 5.11 Módulo Resiliente de la Subrasante.....................................................................45 Tabla 5.12 Pavimento Flexible – Capa de Rodadura de Concreto Asfáltico densamente gradado (Periodo de diseño 20 años).....................................................................47 Tabla 5.13 Pavimento Flexible – Capa de Rodadura de Tratamiento Superficial Doble (Periodo de diseño 15 años)...................................................................................47 Tabla 5.14 Pavimento Flexible – Capa de Rodadura de Tratamiento Superficial Doble (Periodo de diseño 20 años)...................................................................................47 Tabla 6.1: Pavimento Flexible – Capa de Rodadura De Ripio................................................50 Tabla 6.2 Número de Ejes Equivalentes de 8,2 Tn (18 kip ESALs) Estimados para 5 años...51 Tabla 7.1 Resumen del paquete estructural de las alternativas.............................................52


PAQUETE ESTRUCTURAL ii

GEOVIAL



ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Provincias Los Andes, Omasuyus y Larecaja y sus municipios correspondientes. .3 Figura 1.2 Croquis de Ubicación del Proyecto.........................................................................4 Figura 2.1 Esquema de los esfuerzos inducidos en un pavimento flexible.............................11 Figura 3.1 Distribución del Flujo Vehicular en Función del día de aforo Estación Chachacomani........................................................................................................ 17 Figura 3.2: Composición del Flujo Vehicular en la Estación Chachacomani..........................18 Figura 3.3 Distribución del Flujo Vehicular en Función del día de aforo Estación Cr Sorata. .19 Figura 3.4 Composición del Flujo Vehicular en la Estación Cr Sorata....................................19 Figura 4.1 Percentil vs. CBR..................................................................................................29 Figura 4.2 Determinación del CBR de diseño (Azul CBR al 95% y Rojo CBR al 100% de la densidad máxima)...................................................................................................30 Figura 5.1 Relación gráfica Costo vs. Confiabilidad...............................................................34 Figura 5.2 Nomograma del Coeficiente estructural de la capa de rodadura de CA relacionada a diferentes ensayos de Asfalto (Van Til et al. 1972)...............................................42 Figura 5.3 Carta para estimar el coeficiente estructural del Concreto Asfáltico Densamente gradado en función del módulo elástico (resiliente).................................................43 Figura 5.4 Determinación de los Espesores de Pavimento....................................................45 Figura 7.1 Sección Tipo de la plataforma para el mejoramiento de la carretera.....................52 Figura 7.2 Pavimento Flexible – capa de rodadura de concreto asfaltico..............................53 Figura 7.3 Pavimento Flexible – capa de rodadura TSD........................................................53 Figura 7.4 Ripio..................................................................................................................... 53


PAQUETE ESTRUCTURAL iii

GEOVIAL



INTRODUCCIÓN

ANTECEDENTES Atendiendo a lo requerido en las Bases de Licitación y Términos de Referencia para el desarrollo del proyecto “MEJORAMIENTO CARRETERA CHACHACOMANI – MILLIPAYA – CRUCE SORATA”, la Empresa GEOVIAL CONSULTORES S.R.L. Consultora, ha estructurado una oferta técnica, planteada que describe la concepción del consultor acerca del servicio requerido por el Gobierno Departamental de La Paz, el alcance y la metodología a ser aplicada en el desarrollo del servicio de consultoría, la programación de trabajos a realizar y finalmente, la descripción de la organización y asignación del personal, este último que cubre los requerimientos para el desarrollo del proyecto en sus distintas etapas. El tramo carretero Chachacomani – Millipaya – Cr Sorata tiene una longitud aproximada de 53.70 km., y se encuentra emplazado en las provincias de Los Andes (municipio Batallas), Omasuyos (municipio de Achacachi) y Larecaja (municipio de Sorata) del departamento de La Paz y ha sido considerado como parte de la Red Departamental de La Paz de acuerdo a la Ley N° 2514 promulgada el 24 de octubre de 2003. Con el proyecto se pretende reducir los costos y tiempos de operación actuales, ya sean estos públicos o privados, integrando socioeconómicamente las provincias del Departamento entre sí y con la ciudad de La Paz, facilitando el transporte de pasajeros y productos de cada región, de manera rápida, oportuna y segura, con ahorros de tiempo de viaje y evitar el despoblamiento de los pueblos y comunidades. Este informe contiene el Diseño de Estructuras de Pavimento del proyecto Mejoramiento Carretera Chachacomani – Millipaya – Cr Sorata y su desarrollo se enmarca dentro de las exigencias de los términos de referencia. Se ha considerado la estrategia de la a Boliviana de Carreteras en lo concerniente al periodo de análisis para el diseño estructural de pavimento flexible (Concreto Asfaltico y Tratamiento Superficial Doble) definido en 20 años de vida útil, debido a los bajos volúmenes tráfico no fue necesario elaborar diseños en dos o más etapas. El diseño estructural se realizó a través del uso de planillas electrónicas, fundamentado en el método AASHTO 93 y se analizaron los siguientes paquetes estructurales de pavimento: 

Pavimento flexible con capa de rodadura de Concreto Asfáltico.



Pavimento flexible con capa de rodadura de Tratamiento Superficial Doble


PAQUETE ESTRUCTURAL 1





Superficie Granular de Rodadura (Ripio)

OBJETIVO DEL DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS El diseño estructural de pavimentos se enfoca en determinar el apropiado espesor y composición de cada capa, para que la misma brinde a los s confort de circulación, seguridad y mantenga sus propiedades durante su periodo de vida útil. Los principales métodos de diseño en uso son a través de catálogos de diseño, métodos empíricos y métodos empírico-mecánicos. El método empírico emplea los resultados de la AASHO Road Test (Ottawa 1956-1961) para correlacionar parámetros medibles (i.e., módulo resiliente de la subrasante) e índices derivados (i.e. el número estructural y el índice de serviciabilidad del pavimento). Los métodos empíricos más empleados son: Instituto del Asfalto, California (de CALTRANS), PCA (pavimentos rígidos), Shell, AASHTO 93. 1.1 UBICACIÓN DEL PROYECTO El tramo carretero Chachacomani – Millipaya – Cruce Sorata, forma parte de la carretera que une las provincias (i.e., en dirección Sur – Norte) de Los Andes, Omasuyos y Larecaja del departamento de La Paz, como se muestra en la Figura 1.1. Dentro lo que representan las mencionadas provincias, el tramo carretero beneficiará a: 1. El municipio de Batallas (provincia Los Andes), en lo que es el Cantón Villa San Juan de Chachacomani cuyas comunidades son Chachacomani, Alto Cruz Pampa y Coroyo. 2. El municipio de Achacachi (provincia Omasuyos), representado por los cantones Villa Asunción de Corpaputo y Warisata, beneficiándose sus comunidades de Corpaputo, Casamaya, Casamaya Alta, Ocarani, Tacamara, Umapusa, Challuyo y Suñasivi. 3. El municipio de Sorata (provincia Larecaja), representado por sus cantones San Antonio de Millipaya y Sorata, donde las comunidades más beneficiadas serán: Millipaya, Alto Logena, Taypi Logena, Alto Caranavi, Marcamarcani, Cochiri, Chajhualla, Cochipata, Viacha A, Viacha B, Huarina, Choro, Cotaña y Comarca Coloni. El eje del proyecto de mejoramiento carretero circulará de manera directa entre las comunidades de Chachacomani, Corpaputo, Casamaya, Tacamara, Umapusa, Chaluyo, Millipaya, Chajhualla y Viacha. Estas comunidades serán beneficiadas de manera directa. La Figura 1.2 muestra un croquis de ubicación del proyecto junto con el trazo geométrico del proyecto carretero contrapuesto a una imagen satelital de fondo.



GEOVIAL



Z1

Z2 Z3

Figura 1.1 Provincias Los Andes, Omasuyus y Larecaja y sus municipios correspondientes que forman parte del tramo carretero Chachacomani – Millipaya – Cr Sorata (el emplazamiento del tramo carretero se aprecia en color verde)



GEOVIAL



RUTA 1225

CARRETERA CHACHACOMANI-MILLIPAYA-CR SORATA

RUTA Nº2

Figura 1.2 Croquis de Ubicación del Proyecto





Como puede apreciarse en la Figura 1.2, La red vial fundamental N°2 de circulación vehicular proviene desde la ciudad de El Alto (Río Seco), pasa por las poblaciones Batallas, Huarina, Tiquina, Copacabana y continua hacia la frontera con Perú. La Ruta Achacachi – Sorata es la N° 1225 de la Red Vial Departamental de La Paz. El tramo carretero objeto de estudio, es una alternativa vial para llegar al poblado de Sorata, mismo que como se observa en la figura mencionada, tiene su origen en el ramal secundario que se desprende de la ruta N°2 en el poblado de Batallas y que pasa por el poblado de Peñas, continuando por Chachacomani, Millipaya y Cruce Sorata. La provincia Los Andes surge por Decreto Supremo de 7 de septiembre de 1863 y está constituida por los municipios de Pucarani, (capital y primera sección), Laja (segunda sección), Batallas (tercera sección) y Puerto Pérez (cuarta sección). Los Andes, es una provincia del departamento de La Paz, Bolivia. Tiene una superficie de 1.658 km² y una población de 73.728 habitantes y una densidad de 44,46 Hab/km². Su Capital es la ciudad de Pucarani. La provincia Omasuyos está ubicada en el Departamento de La Paz a 4.500 metros sobre el nivel del mar, cuenta con una población alrededor de 140.000 habitantes. Además una extensión territorial de 2.065 kilómetros donde gran parte de su territorio limita con el Lago Titicaca. En esta región la economía se basa en la producción agrícola de verduras y hortalizas, crianza de ovinos y vacunos. Otras actividades que se realizan son pesca y producción de leche y quesos. La Provincia Larecaja, presenta un clima de cordillera en los nevados, pasando por un clima templado en los valles (Sorata) y en las partes bajas (Guanay, Mapiri, Tipuani, Teoponte) un clima subtropical. Hidrológicamente, el principal colector de la red imbrífera es el Río Kaka (Teoponte), formado por la unión de los ríos Coroico y Mapiri (en éste último desembocan los ríos Challana y Tipuani). Cabe mencionar que Sorata se halla entre los ríos San Cristóbal y Challasuyo. La agricultura en la provincia es rudimentaria, existiendo cultivos de papa en las partes altas, maíz (blanco, amarillo, morado, gris), lacayote, duraznos, “papaya” (para la preparación de la falangina), en los alrededores de Sorata; frutas como la chirimoya en la zona de TintilayaQuiabaya, así también camotes, granadillas, limatomate, cítricos, papayo, palta, etc. Además se presentan plantaciones perennes de café, té y cacao en Mapiri y Chimate. En los alrededores de Guanay y Mapiri existen recursos forestales (maderables y no maderables) como el cedro, quina (tratamiento de la malaria), siringa (goma) y otros. En Sorata existen plantaciones de eucaliptos, cipreses y ceibos. Mejoramiento Carretera Chachacomani – Millipaya – Cr. Sorata


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1.2 DETERMINACIÓN DEL ÁREA DE INFLUENCIA INDIRECTA El área de influencia, es la superficie urbana y rural que puede absorber o generar demandas de transito usuarias del proyecto, por lo tanto, comprende dimensiones físicas y económicas. En la determinación práctica del área de influencia prevalecen, en cierta medida, las consideraciones físicas y económicas, como ya se indicó. Ello significa que un flujo puede preferir el uso de una determinada vía, si ella está a su alcance físico y además representa el menor costo económico para vincular los orígenes y destinos previstos. De planteamientos anteriores se desprende que la demarcación de esta área se relaciona con la demanda actual de modos de transporte, con el espacio geográfica en que se sitúa dicha demanda y las características de ella. La determinación de las fronteras del área consiste, por lo tanto, en poder vincular geográficamente, y basándose en consideraciones económicas y sociales, a varias zonas que originen y/o absorban dichas demandas – reales y potenciales – como posibles usuarias del proyecto. El Área de Influencia Indirecta para el Estudio Técnico, Económico, Social y Ambiental Mej. Carret. Chachacomani – Millipaya – Cruce Sorata, se circunscribe al departamento de La Paz, específicamente a los Municipios de Batallas, Achacachi y Sorata. 1.2.1

Características Generales del Municipio de Batallas

Batallas, tercera sección de la provincia Los Andes del departamento de La Paz, se encuentra sobre la carretera asfaltada a Copacabana, muy próxima a la ciudad de El Alto (a 50 kilómetros), ubicada en la zona del altiplano norte lacustre. Su topografía es variada desde la Cordillera Oriental hasta las riberas del lago Titicaca, con un clima predominantemente frío. El municipio de Batallas se encuentra conformado por comunidades, cantones y centros poblados, los que ascienden a 44, según los datos del Censo del 2001. 1.2.2

Características Generales del Municipio de Achacachi

Achacachi se encuentra a 96 km al noroeste de la ciudad de La Paz, en las riberas del lago Titicaca. Al norte y este limita con la provincia Larecaja, al sur y al oeste con el lago Titicaca, al noroeste con el municipio Ancoraimes. Este municipio constituye el nexo de la capital departamental con las poblaciones lacustres del norte, con una vía asfaltada desde La Paz, y a partir de ahí con rutas camineras de tierra. Achacachi se encuentra en el Altiplano, con un clima predominantemente frío. En el límite con la provincia Los Andes se encuentra el nevado Illampu (6.550 msnm), donde se origina Mejoramiento Carretera Chachacomani – Millipaya – Cr. Sorata


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GEOVIAL



el río Keka, que atraviesa por casi toda la jurisdicción, con un caudal permanente. Las aguas de este rio son utilizadas principalmente para el riego de los cultivos. La población en su conjunto es de origen aymara, y es conocida por mantener vivas sus organizaciones ancestrales, en muchos casos convertidas en sindicatos agrarios, además por su afamada tradición "guerrera". Su fiesta principal es la de San Pedro, la misma que se constituye en una de las pocas expresiones originales en danzas y música prehispánica y folklórica. 1.2.3

Características Generales del Municipio de Sorata

El municipio de Sorata ubicado en la provincia Larecaja del Departamento de La Paz. Su capital Sorata se encuentra al noroeste de la ciudad sede de gobierno y dista de ella aproximadamente 170 km por un camino asfaltado hasta Achacachi, 90 km y ripiado desde allí hasta Sorata. De acuerdo al censo de la Población y Vivienda del INE realizado el año 2001, el municipio de Sorata con 19204 habitantes, con una tasa de crecimiento de 1.92% anual, la densidad poblacional promedio es 9.6 Hab/km2. La topografía predominante en todo el municipio es accidentada con altitudes que van desde más de 4000 msnm hasta los 2000 msnm con un promedio de 3100 msnm , posee infinidad de quebradas y cañadones originados en los nevados de la cordillera oriental de los Andes y que a su vez generan profundos valles que atraviesan todo el municipio. La temperatura son muy variables desde promedios de 7ºC en la región cordillerana hasta 18º en los valles. La precipitación pluvial es muy variables durante todo el año con un promedio de 600 mm/año. DETERMINACIÓN DEL ÁREA DE INFLUENCIA DIRECTA El Área de Influencia Directa fue determinada mediante el método de la Influencia Geográfica y el Estudio de Origen y Destino realizado. El área de influencia directa, que abarca todas las unidades poblacionales atravesadas por la carretera, incluso en sus puntos de origen y destino, que por su proximidad al proyecto obtendrán un beneficio. Los municipios considerados dentro del área de influencia directa son los que se presentan a continuación. Tabla 1.1 Área de Influencia Directa: Comunidades Beneficiadas Provincia

Municipio

Cantón

LOS ANDES

BATALLAS

VILLA SAN JUAN DE CHACHACOMANI

OMASUYUS

ACHACACHI

VILLA ASUNCIÓN DE CORPAPUTO

Comunidad Chachacomani Alto Cruz Pampa Coroyo Corpaputo Chamaya Chamaya Alta Ocorani


Población

Nº de Familias

864 27 291 985 225 504 379

218 7 73 149 34 76 57


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Provincia


Municipio

WARISATA

SAN ANTONIO DE MILLIPAYA LARECAJA

Población

Nº de Familias

1.909 769 760

289 116 115

Suñasivi

362

55

Millipaya Alto Logena Taypi Logena Alto Canaviri Marcamarcani Cochiri Chajhualla Cochipata Viacha A Viacha B Huarina Choro Cotaña Comarca Coloni Total

143 344 228 108 249 129 258 280

33 78 52 25 57 29 59 64

420

98

269 248 105 9.856

63 58 24 1.828

Cantón

SORATA

SORATA

Comunidad Tacamara Umupasa Challuyo

Elaboración: En base al trabajo de campo (encuestas) y Planes de Desarrollo Municipales

ZONIFICACION DEL ÁREA DE INFLUENCIA Los municipios de Batallas, Achacachi y Sorata se constituyen en zonas de influencia de carácter directo para el tramo carretero, razón por la cual recibirán la denominación de Zona 1 (Z1), Zona 2 (Z2) y Zona 3 (Z3) respectivamente. Estos municipios se encuentran ligados entre sí por el tramo carretero secundario objeto del estudio. Tabla 1.2 Zonificación del Área de Influencia Directa Zonificación

Municipio

ZONA 1 ZONA 2 ZONA 3

Batallas Achacachi Sorata Fuente: Elaboración Propia.

El tramo carretero objeto de estudio, es una alternativa vial para llegar al poblado de Sorata, mismo que como se observa en la figura mencionada, tiene su origen en el ramal secundario que se desprende de la ruta N°2 en el poblado de Batallas y que pasa por el poblado de Peñas, continuando por Chachacomani, Millipaya y Cruce Sorata. De lo expuesto se concluye que las zonas de influencia indirecta para el área de estudio corresponderán a las especificadas en la Tabla 1.3.



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GEOVIAL



Tabla 1.3 Zonificación del Área de Influencia Indirecta Zonificación

Municipio

ZONA 4 ZONA 5 ZONA 6 ZONA 7 ZONA 8

Laja Pucarani Ancoraimes Combaya Guanay Fuente: Elaboración Propia.

1.3 VARIABLES EN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS Se deben considerar en el diseño de estructuras de pavimento, variables como: el tipo de pavimento que se empleará, los volúmenes de tránsito, el nivel freático, la vida útil del pavimento, fuentes para el material de base y sub-base, el peso del vehículo de diseño, etc. Las variables que intervienen en el diseño son las siguientes: 

La variable estructural considera la calidad de las capas (i.e., sub-rasante, sub-base y base), esfuerzos que puede resistir, plasticidad, granulometría, la calidad del conjunto, el espesor y número de capas. Considera también las características geométricas como el ancho de calzada.



La variable tránsito considera el tipo de vehículo, tipo de eje, el peso del vehículo, volumen o número de repeticiones de carga y velocidad.



Las condiciones regionales considera la topografía, la geología y la hidrología. Las condiciones climáticas considera la temperatura, precipitación y humedad. La temperatura influye en los módulos dinámicos de las capas asfálticas, y en los pavimentos rígidos, participa en los métodos de construcción y en el dimensionamiento de las juntas. La presencia de agua es una variable definitiva en el comportamiento de las estructuras de pavimento. Se debe tener muy en cuenta para la valoración de: obras de drenaje y sub-drenaje, la elección del tipo de mezcla asfáltica, el bombeo de la sección transversal de la carretera, los cambios volumétricos de sub-rasantes expansivas, la contaminación de la sub-base a causa del ascenso de los niveles freáticos.



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VARIABLE ESTRUCTURAL

El buen comportamiento de un pavimento sea éste flexible o rígido depende no sólo de la adecuada elección de espesores, sino de las adecuadas características de los materiales de las diferentes capas que lo constituyen. Los pavimentos flexibles se constituyen básicamente de 3 capas de material seleccionado que son: capa subbase, capa base y una superficie de rodadura (tratamiento superficial simple, doble o concreto asfáltico). Mientras que el pavimento de tipo rígido está constituida básicamente de 2 capas que son: capa subbase y una superficie de rodadura constituida por una losa de hormigón. Todas las capas de material seleccionado están estructuradas sobre la subrasante o terreno natural, cuyo correspondiente módulo resiliente (MR) es la variable que juntamente con la variable tránsito (sin olvidar el factor económico) definirán los espesores requeridos de las capas que forman la estructura del pavimento. Un pavimento debe resistir las cargas impuestas por el tránsito vehicular, soportar la acción del medio ambiente, transmitir al suelo de fundación esfuerzos y deformaciones tolerables y proporcionar a la circulación de los vehículos rapidez, comodidad, economía y seguridad; lo cual conlleva que sea una estructura durable y además, que presente una textura adecuada. En este informe se considerarán las variables que atañen a los pavimentos flexibles, específicamente al pavimento con superficie de concreto asfáltico (CA), tratamiento superficial doble (TSD) y pavimento con material granular como capa de rodadura (ripio). CARACTERISTICAS GENERALES DEL PAVIMENTO FLEXIBLE Los esfuerzos inducidos en la estructura de un pavimento flexible por las cargas del tráfico, son mayores en las capas superiores y disminuyen con la profundidad como se observa en el esquema de la Figura 2.1.



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Figura 2.3 Esquema de los esfuerzos inducidos en un pavimento flexible En general, el pavimento flexible está caracterizado por tener en la parte superior, una capa bituminosa, apoyada sobre una o varias capas de gran flexibilidad (base granular y sub-base granular), las cuales transmiten los esfuerzos al terreno de soporte, mediante un mecanismo de disipación de tensiones que van disminuyendo en su magnitud, con la profundidad. Este tipo de pavimento, presenta las siguientes particularidades. 

Las capas granulares, se colocan para disminuir el espesor de la carpeta asfáltica.



Se considera que los esfuerzos se han disipado, cuando el esfuerzo en un punto cualquiera, es menor que el 10% de la presión de o.



Las magnitudes normales de los módulos de elasticidad de las capas de esta clase de estructuras, están alrededor de:



Capa asfáltica 25000 Kg/cm²



Base granular 2000 Kg/cm² a 5000 Kg/cm²



Sub-base granular 1000 Kg/cm² a 3000 kg/cm²

El pavimento flexible clásico es un pavimento que se compone de una serie de capas granulares, coronadas por una superficie de rodamiento bituminosa de alta calidad relativamente delgada. En estos pavimentos una matriz asfáltica proporciona la superficie de rodamiento; las cargas de los vehículos hacia las capas inferiores se distribuyen por medio de las características de fricción y cohesión de las partículas de los materiales; y la carpeta asfáltica se pliega en pequeñas deformaciones de las capas inferiores sin que su estructura se rompa.



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SUPERFICIE ASFALTICA (CA) El asfalto es un aglomerante resistente, muy adhesivo, altamente impermeable y duradero. Es una sustancia plástica que da flexibilidad controlable a las mezclas de áridos con las que se combina usualmente; además, es altamente resistente a la mayor parte de los ácidos, álcalis y sales. Aunque es una sustancia sólida o semisólida a temperaturas atmosféricas ordinarias, puede licuarse fácilmente por aplicación del calor, por la acción de disolventes de volatilidad variable por emulsificación. De esta forma se puede mezclar con los áridos necesarios para construir el material de la superficie de rodamiento. Esta superficie tiene características de resistencia y estabilidad, soporta la repetición de cargas; es impermeable y debe tener la textura y el color adecuados que permitan un tráfico seguro. La superficie de rodamiento debe ser capaz de resistir el uso y los efectos abrasivos de los vehículos en movimiento, y debe tener suficiente estabilidad para protegerla de posibles desplazamientos y surcos bajo las cargas del tráfico. Además, la capa de rodadura provee un útil servicio al prevenir la entrada de cantidades excesivas de agua de la superficie a la base y sub-rasante. La capa ó carpeta de rodadura está constituida por 2 elementos: agregados minerales y un producto bituminoso. El producto bituminoso más empleado para este tipo de obras es el asfalto. Su función principal es suministrar una superficie segura para el tránsito, libre de polvo y barro, ser resistente a los efectos destructivos del clima e impedir la infiltración de agua superficial a las sub-capas.1 La capa de rodadura o carpeta asfáltica tiene las siguientes funciones:

1



Da la resistencia a la tracción en la estructura.



Al ser “impermeable”, evita que el agua ingrese a la estructura del pavimento, junto con el bombeo y el peralte de la calzada.



Impermeabilizar el pavimento, para que las capas subyacentes puedan mantener su capacidad de soporte



Proporcionar una superficie uniforme, estable y segura al tránsito (desde la concepción del )

Principios Básicos para el Diseño de Pavimentos Flexibles, ESSO S.A. Colombia, Segunda Edición, pp. 11-14.



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Tipos de Recubrimientos superficiales a) Cemento Asfáltico AC Los cementos asfálticos son hidrocarburos semi-sólidos obtenidos después que los aceites lubricantes han sido removidos y se clasifican como sigue: + duro

+ blando

AC 40-50 AC 60-70 AC 85-100 AC 120-150 AC 200-300

El empleo de uno u otro cemento asfáltico depende del tránsito previsto y de las condiciones climáticas. Se prefiere el más duro para tránsito pesado y clima cálido. El Instituto del Asfalto recomienda el uso de los cementos asfálticos que se observan en la Tabla 2.1. Tabla 2.4 Recomendaciones del Instituto del Asfalto CLIMA TRANSITO Pesado Liviano

Cálido Húmedo 60 – 70 85 – 100

Cálido 60 – 70 85 – 100

Moderado

Frío

60 – 70 85 – 100

85 – 100 120 – 150

Por lo expuesto, se recomienda adoptar el cemento asfáltico AC 85-100. b) Asfaltos Líquidos (AC + Solvente) Los asfaltos líquidos son producidos al mezclar cemento asfáltico con un destilado liviano y volátil del petróleo para volverlo líquido. Son clasificados de acuerdo a su velocidad de curado, de esta manera se tienen: curado rápido RC, curado medio MC y curado lento SC. Tabla 2.5 Asfaltos líquidos Característica Curado rápido

AC + gasolina

Curado medio

AC + kerosén

Curado lento

AC + lubricantes

Según su Grado de Viscosidad RC 70 RC 250 p/ riegos de imprimación RC 800 RC 3000 MC 70 MC 250 MC 800 MC 3000 SC 70 SC 250 SC 800 SC 3000

Fuente: Elaboración propia.



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c) Emulsiones Asfálticas (AC + agua) Consisten en una suspensión de gotas muy finas de cemento asfáltico (micelas) en agua, que en adición con un producto emulsificante constituye el emulsivo. Las emulsiones contienen generalmente entre 50 y 70% de cemento asfáltico y 50 a 30% de agua y son líquidas a temperatura ambiente. Se clasifican según la Tabla siguiente: Tabla 2.6 Emulsiones asfálticas Emulsión Aniónica (-) Catiónica (+)

Rápido RS – 1 RS – 2 CRS – 1 CRS – 2

Rompimiento Medio

Lento

MS

SS – 1h

CMS – 2h

CSS – 1h

1 Baja viscosidad c/ h  AC 60 – 70 2 Alta viscosidad s/ h  AC 85 – 100 Fuente: Elaboración propia

CAPA BASE GRANULAR (BS) La base granular presenta características superiores de material seleccionado, ya que esta capa absorbe la mayor parte de los esfuerzos producidos por las cargas del tránsito. El material debe provenir de trituración mecánica de roca o grava natural, con elevada resistencia a la abrasión (i.e., <35%). Debe estar exento de material vegetal y no presentar cantidades importantes de arcilla, equivalente de arena >30, IP<4 y CBR>80%. La capa base puede estar compuesta por material granular tratado con asfalto o cemento. Dentro de lo posible debe ser económica y drenante. De acuerdo con el criterio usado en la actualidad se tiene para carreteras con un tránsito menor a 1000 vehículos pesados, se recomienda que el espesor mínimo de la base sea de 12 centímetros y cuando el tránsito sea mayor, se recomienda que el espesor mínimo sea de 15 centímetros. Un mínimo de CBR que generalmente se permite es de 80% se iten menores hasta el 50%, limite líquido menor a 25% y un índice de plasticidad menor a 6. La capa base granular tiene las siguientes funciones: 

Es de gran aporte estructural (resistente), debido a las características de gradación y trituración de sus partículas (finos no plásticos).



Buen drenaje, debido a que presenta pocos finos.



Economía con respecto a la carpeta asfáltica.



Sirve como superficie de rodadura provisional



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CAPA SUBBASE GRANULAR (SB) La sub-base granular recibe los esfuerzos que el tránsito le impone a través de la base y absorbe parte de ellos de manera que a la subrasante lleguen en magnitudes adecuadas. Debe controlar los cambios volumétricos de la subrasante, no permitir la intrusión de finos de la subrasante a la estructura, contribuir con el drenaje interior de la estructura y reducir el costo del pavimento. Puede ser de grava natural ó roca triturada (i.e., chanqueada), tener un mínimo de 25% de las partículas de agregado grueso en peso con caras fracturadas, adecuada resistencia al desgaste (i.e., <50% ensayo en la máquina de los ángeles), equivalente de arena >25%, un índice de plasticidad IP<6% (LL-LP), un porcentaje que pasa el tamiz No 200 no mayor a 8% y un valor relativo de soporte CBR>30%. SUBRASANTE Una subrasante bien construida debe: 1) conservar todo el tiempo el mayor valor portante posible, mientras más alto sea, menor será el espesor de las capas superiores y por lo tanto menor el costo de la estructura total y 2) permitir sólo movimientos verticales diferenciales mínimos, con el fin de que el rodamiento de los vehículos sobre la superficie sea suave y cómodo. Los suelos de subrasante pueden dividirse en suelos pobres, medios y buenos, en función de sus características mecánicas. Tabla 2.7 Calidad de Suelos de Subrasante Calidad Suelos pobres Suelos medios Suelos buenos

Módulo Resiliente (MR) 30 MPa (4500 psi) 80 MPa (12000 psi) 170 MPa (25000 psi)

CBR 3% 8% 17%

Valor R 6 20 43

Fuente: Elaboración propia



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VARIABLE TRÁNSITO

El tráfico es una de las variables más significativas del diseño de pavimentos; la metodología AASHTO considera la vida útil de un pavimento relacionada con el número de repeticiones de carga por parte de un eje equivalente de 8.2 toneladas (18 kips) que podrá soportar el pavimento antes de llegar a las condiciones de servicio final predeterminadas para el camino. Los datos recolectados durante la campaña de encuestas, fueron depurados, se corrigieron las inconsistencias. Una vez depuradas y corregidas las inconsistencias se procedió a la codificación de las encuestas Origen y Destino y aforos vehiculares clasificados, con los códigos se conformó una base de datos y se utilizó planillas electrónicas para el manejo de los datos. TRAFICO ACTUAL (TA 2010) Con el propósito de conocer la composición actual del tráfico vehicular el Consultor programó el aforo vehicular clasificado y se recopilaron los datos del flujo vehicular durante 24 horas de aforo continuo diario durante una semana. Las Tablas 3.1 y 3.2 muestran un resumen de los datos registrados con el aforo vehicular clasificado en las estaciones Chachacomani (S1) y Cruce Sorata (S2) donde se observan la cantidad de vehículos por categoría vehicular en función del día de aforo. Por otra parte, las Figuras 3.1 y 3.2, ilustran la distribución del volumen vehicular en función a los días de aforo, mientras que las Figuras 3.3 y 3.4 ilustran la composición del flujo vehicular.



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Tabla 3.8 Tránsito Semanal Total (TS) en la estación Chachacomani


Figura 3.4 Distribución del Flujo Vehicular en Función del día de aforo Estación Chachacomani



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Figura 3.5: Composición del Flujo Vehicular en la Estación Chachacomani

Tabla 3.9 Tránsito Semanal Total (TS) en la estación Chachacomani




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Figura 3.6 Distribución del Flujo Vehicular en Función del día de aforo Estación Cr Sorata

Figura 3.7 Composición del Flujo Vehicular en la Estación Cr Sorata De las Tablas y Figuras anteriores se concluye que en la Estación Cruce Sorata se ha registrado mayor número de vehículos (59 vehículos mixtos). Del total de vehículos aforados, la categoría de vehículo más frecuente corresponde a los automóviles y vagonetas (Código Nº 1) con el 25.42%, seguidos por las camionetas camiones grandes (3 ejes) con 16.95%, los camiones medianos ocupan el tercer lugar con 11.86%, camiones grandes (2 ejes) con 10.17%, minibuses y microbuses con 8.47% y finalmente los buses medianos con 1.69%. Mejoramiento Carretera Chachacomani – Millipaya – Cr. Sorata


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TRAFICO FUTURO (TF) Para cuantificar la magnitud del tráfico futuro, se ha empleado la metodología que permiten realizar las proyecciones del tráfico actual TPDA considerando el crecimiento del tráfico normal y generado empleando una tasa de crecimiento estimada del parque automotor. La información que se presenta en la Tabla siguiente contiene las proyecciones del tránsito normal, tránsito atraído, tránsito generado y el tránsito de desarrollo que se ha estimado en el Capítulo Estudio de Tráfico para la Estación Cruce Sorata ya que ésta es la más representativa para el diseño de pavimentos. Estas proyecciones constituyen la base imprescindible para el cálculo de ejes equivalentes de 8.2 toneladas. Tabla 3.10 Tránsito Futuro (TF)


CARGAS Las cargas, las fuerzas del vehículo transmitidas al pavimento, pueden ser caracterizados por los siguientes parámetros: 1) cargas por llanta, configuraciones de eje y llanta, 2) repetición de cargas, 3) distribución del tráfico a través del pavimento y 4) la velocidad del vehículo.



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Las cargas y el medio ambiente dañan al pavimento con el tiempo. Este daño es acumulativo durante la vida del pavimento y cuando llega a un valor máximo, se considera que el pavimento ha llegado al final de su vida útil de servicio. El diseño de la estructura del pavimento requiere la cuantificación de todas las cargas que el pavimento vaya a experimentar durante su vida de útil. Esta cuantificación se realiza de dos maneras: 1) cargas equivalentes de eje simple (ESALs) y 2) cargas por espectro (2002 Guide for Design of New and Rehabilitated Pavement Strutures, NCHRP 1-37A) que caracteriza las cargas directamente por el número de ejes, configuración y peso y no requiere la conversión a valores equivalentes. CARGA EQUIVALENTE DE EJE SIMPLE (ESAL) De acuerdo al método AASHTO los pavimentos se diseñan para que resistan una determinada cantidad de cargas durante su vida útil, estas cargas son producidas por una variedad de vehículos, de diferentes pesos y cantidad de ejes. Ante esta diversidad y a efectos de cálculo, el método propone el “carga equivalente de eje simple” cuyo peso patrón es 8.2 toneladas. Para la transformación de ejes simples, tándem y tridem de un determinado vehículo se aplican los “factores equivalentes de carga” (LEFs), según el método estos factores están en función del Peso de cada eje, Número estructural SN para Pavimento Flexible, Espesor de losa D para Pavimento Rígido y Serviciabilidad final PSI, tal como se presentan en las tablas D-1 a la D-18 de la Guía Diseño AASHTO, Apéndice D. Debido a que la solicitación de tránsito es producida por una variedad de vehículos, existe la necesidad de transformarlos a cargas equivalentes de eje simple a través del “factor camión” o “factor equivalente vehicular”. Para determinar los Factores de Equivalencia Vehicular (FEV) de los vehículos que solicitan un pavimento, es recomendable realizar un censo de pesos por eje para cada tipo de vehículo de una determinada configuración o aplicar otras metodologías que simulen las cargas que aplican los vehículos en una carretera. El Consultor revisó la bibliografía referida a estos factores de equivalencia vehicular, habiendo encontrado entre la información internacional y nacional un trabajo realizado por a Boliviana de Carreteras (ABC), la cual se considera la más aplicable a nuestro medio y por consiguiente a nuestro proyecto. Según la información disponible, los resultados presentados en este informe responden a una campaña de censos de peso por eje realizados en las poblaciones de Achica Arriba y Conani, donde se registraron datos en ambos sentidos las 24 horas del día durante una semana en el mes febrero del 2000. A la fecha esta información es un documento oficial útil para el diseño de pavimentos en Bolivia. Mejoramiento Carretera Chachacomani – Millipaya – Cr. Sorata


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En esa oportunidad, se habrían registrado los pesos por eje de acuerdo a la siguiente clasificación definida por la ABC en su estadística vial. Vehículos Livianos:   

Automóviles Camionetas y Vagonetas Minibuses

Vehículos Pesados:        

Microbuses Buses Medianos Buses Grandes Camiones Pequeños Camiones Medianos Camiones Grandes Camiones Semiremolque Camiones Remolque.

La Tabla 3.4 presenta los factores de equivalencia vehicular para pavimento flexible y rígido determinados por la a Boliviana de Carreteras. Tabla 3.11 Factores de Equivalencia Vehicular (FEVs)


NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES ACUMULADOS (W18) El número de ejes equivalentes acumulados W18 que solicitarán a la calzada durante n años se calculó tomando en cuenta el siguiente periodo de análisis: 2011 - 2013 2014 - 2033

Periodo de Licitación y Construcción Periodo en servicio de la estructura de pavimento

Con la ecuación que se muestra a continuación, es posible determinar W18 para cada año. W18  TPDA  DS  DC  FEV  365 Mejoramiento Carretera Chachacomani – Millipaya – Cr. Sorata


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Donde:

DS DC TPDA FEV


=Distribución de tráfico por sentido =Distribución de tráfico por carril =Tránsito promedio diario anual (sin vehículos livianos) =Factor de equivalencia vehicular

Las Tablas 3.5 y 3.6 muestran en detalle la estimación de los ejes equivalentes acumulados para periodos de vida útil de 15 y 20 años respectivamente, para pavimento flexible. En ambas tablas se puede apreciar que dado que la distribución vehicular por sentido es 58% para el carril de diseño se tiene que para una vida útil de pavimento de 15 años el valor estimado para el número de vehículos simples de eje equivalente es igual a 88626 Veh. Eq. Para una proyección a 20 años, el número de ejes equivalentes se estima igual a 141210 Veh. Eq. En el Anexo se muestra el detalle de obtención de los ESALs.



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Tabla 3.12 Número de Ejes Equivalentes de 8,2 Tn (18 kip ESALs) Estimados para 15 años


DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS 24

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DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS 25



ESTUDIO DE SUELOS

La metodología seguida para la ejecución del estudio de suelos comprendió básicamente una investigación de campo a lo largo del trazo donde se proyecta la carretera, a través de prospecciones de exploración a cielo abierto (obtención de muestras representativas), las que fueron objeto de ensayos en Laboratorio. Finalmente con los datos obtenidos en ambas fases se realizaron las labores de gabinete, para consignar luego en forma gráfica y escrita los resultados del estudio. A continuación se procede a describir el plan de trabajo desarrollado en cada una de las 3 etapas arriba indicadas. TRABAJOS DE CAMPO Con el objeto de determinar las características físico-mecánicas de los materiales existentes se llevaron a cabo prospecciones de estudio (calicatas) con una profundidad mínima de 1,50 m. De los materiales encontrados en los diversos estratos (capas) se tomaron muestras representativas, las que fueron descritas e identificadas mediante una tarjeta con la ubicación, número de muestra y profundidad, para luego ser colocadas en bolsas de polietileno y trasladadas al Laboratorio. ENSAYOS DE LABORATORIO Las muestras de suelos fueron clasificadas y seleccionadas siguiendo el procedimiento del A.S.T.M. D-2488, práctica recomendada para la descripción de suelos. Las muestras representativas fueron sometidas a los siguientes ensayos: Ensayos Estándar 

Análisis granulométrico por tamizado (ASTM C-136)



Constantes físicas o

Límite Líquido (ASTM D-4318)

o

Límite Plástico (ASTM D-4318)

o

Índice de Plasticidad



Clasificación SUCS (ASTM D-2487)



Clasificación AASHTO (ASTM D-3282)







Contenido de Humedad (ASTM D-2216)

Ensayos Especiales 

Ensayo Proctor Modificado (ASTM D-1557)



Ensayo de C.B.R. (ASTM D-1883)

LABORES DE GABINETE En base a la información obtenida durante los trabajos de campo y los resultados de los ensayos de laboratorio, se efectuó la clasificación de los suelos en los sistemas SUCS y AASHTO. Se efectúa también el análisis de los valores de Capacidad de Soporte que se han obtenido en la subrasante y la incidencia de cada tipo de suelo a fin de obtener un valor representativo del esfuerzo al corte por punzonamiento. VALOR DE SOPORTE DEL TERRENO DE FUNDACIÓN (CBR) En la Tabla 4.1 se observa que los suelos predominantes corresponden a los grupos A-1a(0) en el sistema AASHTO y GP y GP-GM en el sistema unificado con el 15.2% del total de los registros. El resumen de los registros de laboratorio obtenidos se muestra en el Anexo 1 así como el análisis estadístico de los suelos de traza.



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Tabla 4.14 Tipos de suelos por sub grupos, según la AASHTO y el Sistema Unificado, en la traza de estudio






Para la determinación de la capacidad portante se ha empleando la norma ASTM D-1883 correspondiente al CBR (California Bearing Ratio), efectuando los respectivos ensayos a las muestras representativas de los suelos de fundación, cuyo resumen se indica en el Anexo 1. Finalmente para la determinación del valor representativo se ha utilizado un procedimiento estadístico (percentiles) basado en los criterios recomendados por el Instituto del Asfalto Americano para el cálculo del CBR de diseño. Dicho criterio se basa en la calificación del tráfico proyectado (diseño) con respecto a indicadores estadísticos que establecen el valor indicado del universo de datos obtenidos en laboratorio, este criterio a nivel mundial es el más aceptado y usado. La Figura 4.1 muestra la relación entre el valor estadístico percentil y el CBR, la mencionada figura fue elaborada con los resultados de los ensayos de suelos realizados, por tanto es aplicable únicamente para el presente proyecto.

Figura 4.8 Percentil vs. CBR Sin embargo, ya que se cuenta con una cantidad de datos de CBR que pasan la centena de registros (105 registros) se ha efectuado un ajuste exponencial (Figura 4.2) de los datos obteniéndose para este valor un CBR de diseño igual a 15.16% (al 95% de la Máxima Densidad Seca). La obtención de este CBR de diseño se detalla en el Anexo 1. Para el presente proyecto, de acuerdo con lo recomendado por el Instituto del Asfalto, el percentil de diseño recomendado es igual a 75%, según la Tabla siguiente.



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Tabla 4.15 Valores recomendados por el Instituto del Asfalto para la selección del CBR de Diseño

Liviano Medio

Nivel de Tránsito 10000 ó Menos 10000 ó 1000000

Pesado

Mayor de 1000000

% Valor de Diseño 60,00% 75,00% 87,50%

Figura 4.9 Determinación del CBR de diseño (Azul CBR al 95% y Rojo CBR al 100% de la densidad máxima)

MATERIALES Generalmente el material que se emplea en un terraplén es el que se encuentra sobre la misma ruta producto de cortes o prestamos laterales. Los materiales usados para la conformación del paquete estructural deberán ser homogéneos evitando de esta manera asentamientos diferenciados a los largo de la vía.





Tipos de bancos de préstamo: 

Longitudinales: son producto de los cortes.



Laterales: distancia al eje del camino de hasta 20 m.

Se han definido los valores de CBR para los materiales de la capa de subbase y base los especificados como valores mínimos, es decir CBR para la capa base igual a 80% y CBR para la capa subbase igual a 40 %, recomendados en los Términos de Referencia del proyecto.



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DISEÑO DEL PAVIMENTO FLEXIBLE SEGÚN LA GUÍA AASHTO 93

El método relaciona la estructura del pavimento con cargas aplicadas, vida útil y capacidad soporte del suelo (i.e., módulo resiliente MR). La ecuación básica ha sido desarrollada a partir de datos experimentales de la AASHO Road Test (Highway Research Board, 1961) la cual realizó ensayos en pavimentos con concreto cementado Portland PCC y concreto asfáltico AC. PSI    4 ,2  1,5  1094 

log10 W18   Z R  S o  9 ,36  log10  SN  1  0.20 

log10  0 ,40 

 2 ,32  log10  M R   8 ,07

 SN  1 5 ,19

Donde: W18 = número estimado predecido de repeticiones de ejes equivalentes de eje simple ESALs de 18000 lb (8,2 Ton); ZR =

desviación estándar normal (Anexo E-3)

So =

error combinado estándar de la predicción del tráfico y de la predicción del desempeño del pavimento;

SN = número estructural o índice de espesor PSI = diferencia entre el índice de servicio inicial p o y el terminal pt (4.5 y 3.0 respectivamente según Carey &Irick 1960); MR =

módulo resiliente de la subrasante (psi)

VARIABLES DE TIEMPO Hay dos variables de tiempo a tener en cuenta: período de análisis y vida útil del pavimento. La vida útil es el lapso de tiempo que media entre la construcción o rehabilitación del pavimento y el momento en que éste alcanza un grado de serviciabilidad mínimo. El período de análisis es el tiempo total que cada estrategia de diseño debe cubrir. Puede ser igual que la vida útil, pero en casos en que se prevén reconstrucciones a lo largo del tiempo, el período de análisis comprende varios períodos de vida útil, el del pavimento original y el de los distintos refuerzos. La AASHTO recomienda los siguientes períodos de análisis:



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Tabla 5.16 Periodos de análisis recomendados Tipo de Camino

Periodo de Análisis (años)

Gran volumen de tránsito urbano

30 a 50

Gran volumen de tránsito rural

20 a 50

Bajo volumen pavimentado

15 a 25

Fuente: Washington State Department of Transportation WSDOT, Design Guide for Flexible Pavements AASHTO 93.

TRÁNSITO AASHTO utiliza el número de repeticiones de ejes equivalentes de 18 kips (80 kN u 8,2 toneladas) denominados ESALs (Equivalent Simple Axial Load – Carga Equivalente de Eje Simple). La conversión de una determinada carga por eje a ESAL se hace a través de los LEF (load equivalent factor), en nuestro medio factor equivalente de carga FEV y descrito anteriormente en el apartado 3.4. En el capítulo Tránsito de la versión 1993, AASHTO incorpora una serie de tablas con LEFs variando en función a la carga aplicada, la serviciabilidad final y el SN del pavimento. Como ya fuera expresado anteriormente, las características del tránsito en Bolivia son diferentes a las consideradas por AASHTO, no solo en la composición vehicular sino también en lo referente a la magnitud de las cargas. CONFIABILIDAD En todos los diseños la incertidumbre siempre ha sido tenida en cuenta a través del uso de coeficientes de seguridad, surgidos en base a la experiencia. Cuando mayores eran las incertidumbres, mayores eran los coeficientes de seguridad. La AASHTO ha introducido el concepto de Confiabilidad, que es en última instancia un coeficiente de seguridad, cuyo propósito es tener en cuenta la incertidumbre y variabilidad en el diseño, construcción y cargas. De ésta manera, la confiabilidad es la probabilidad de que el sistema estructural que forma el pavimento cumpla su función prevista, dentro de la vida útil y bajo las condiciones (medio ambiente) que tienen lugar en ese lapso. Así una confiabilidad de 80 indica que hay un 20% de probabilidad que el pavimento comience a fallar antes de completar su período de diseño. En cambio, con una confiabilidad de 95 existirá solo un 5% de probabilidad que el pavimento falle antes de su vida de diseño. Por ello AASHTO advierte que “un nivel de confiabilidad alto implica un pavimento más costoso y por lo tanto mayores costos iníciales, pero también pasará más tiempo hasta que ese pavimento necesite una reparación y por ende los costos de mantenimiento serán menores. Por el contrario, un nivel de confiabilidad bajo da pavimentos más económicos, pero con un mayor costo de mantenimiento”. En tal sentido, la AASHTO considera que hay



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un nivel de confiabilidad óptimo, en el cual la suma de los costos iníciales y de mantenimiento dan un mínimo. En la Figura 5.1 representa el Costo total vs. Confiabilidad.

RELACIÓN CONFIABILIDAD - COSTOS

COSTOS ($)

Confiabilidad óptima

50

60 Costo de Construcción

70 80 CONFIABILIDAD R

90

Costo de Mantenimiento

100 Costo total

Figura 5.10 Relación gráfica Costo vs. Confiabilidad

Independientemente de estas consideraciones, la guía de diseño AASHTO 93 (Tabla 2.2, p.II-9) recomienda los siguientes niveles de confiabilidad, mostrados en la Tabla siguiente. Tabla 5.17 Niveles de confiabilidad sugeridos para varias clasificaciones funcionales Clasificación Funcional Autopistas Interestatales y otros Arterias Principales Colectores Local

Nivel de Confiabilidad Recomendada Urbano Rural 85 – 99.9 80 – 99,9 80 – 99 75 – 95 80 – 95 75 – 95 50 – 80 50 – 80

Fuente: Washington State Department of Transportation WSDOT, Design Guide for Flexible Pavements AASHTO 93

La esquematización del comportamiento real del pavimento y la curva de diseño propuesta por la AASHTO no coinciden, por esta razón, para ajustar las dos curvas se utiliza un factor de ajuste que resulta del producto de desviación normal (ZR), por desviación estándar (So). Para una construcción por etapas o sea con vida útil menor al período de análisis se procede a utilizar la Ecuación descrita a continuación, para establecer la confiabilidad real para todo el período de diseño.



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1

RETAPA   RTOTAL  n Donde: n = Número de etapas previstas La varianza del comportamiento del pavimento y el tránsito en el período de diseño pueden ser estimados, para un caso de diseño en particular, si se dispone de suficiente información. La Tabla 5.3 que se indica a continuación contiene valores de desvío estándar, recomendados por AASHTO a partir de un análisis de varianza que existía en el AASHO Road Test y en base a predicciones futuras de tránsito: Tabla 5.18 Valores recomendados para la desviación estándar (So) Desviación estándar (So)

Variación en la predicción del comportamiento del pavimento

Pav. rígidos

Pav. flexibles

Sin errores en el tránsito

0,34

0,44

Con errores en el tránsito

0,39

0,49

Fuente: Washington State Department of Transportation WSDOT, Design Guide for Flexible Pavements AASHTO 93

SERVICIABILIDAD Mientras que las fallas, la condición estructural y la fricción superficial son importantes indicadores ingenieriles de las condiciones de un pavimento, los s juzgan el estado de un pavimento en términos de calidad para circular sobre ellos. La servicialidad se define como la capacidad del pavimento para brindar un uso confortable y seguro a los s. En el procedimiento de diseño de la Guía AASHTO 93, la servicialidad está calificada en términos de clasificación de servicialidad presente. La Tabla 5.4 muestra valores de serviciabilidad recomendados.



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Tabla 5.19 Índice de Servicialidad Presente Índice de Serviciabilidad presente (ISP) 4–5 3–4 2–3 1–2

Calidad de Funcionamiento Muy Buena Buena Regular Pobre

0–1

Muy Pobre

Fuente: Washington State Department of Transportation WSDOT, Design Guide for Flexible Pavements, AASHTO 93

1.3.1

Pérdida de serviciabilidad por tránsito D PSIt

El concepto de serviciabilidad del pavimento, introducido también por AASHTO, es la capacidad del pavimento para brindar un uso confortable y seguro a los s y se define mediante el Índice de serviciabilidad presente ISP (Present Serviceability Index, PSI), que califica a los pavimentos entre 0 (muy pobre) y 5 (muy bueno). En el diseño del pavimento el proyectista debe elegir la serviciabilidad inicial y la final. La inicial p0 es función del diseño del pavimento y de la calidad de la construcción, la final o terminal pt es función de la categoría del camino. La pérdida de serviciabilidad por tránsito DPSIt, será por lo tanto la diferencia entre p o y pt. La AASHTO recomienda los siguientes valores de serviciabilidad: Serviciabilidad inicial: po = 4,5 para pavimentos rígidos po = 4,2 para pavimentos flexibles Serviciabilidad final: pt = 2,5 ó más para caminos muy importantes pt = 2,0 para caminos de menor tránsito 1.3.2

Pérdida de serviciabilidad por el hinchamiento de suelos arcillosos PSISW

Las arcillas son suelos susceptibles de sufrir hinchamiento, pero no todas son expansivas. Se puede decir que las arcillas expansivas son aquellas que tienen un Límite Líquido (LL) mayor que 50%, y, en general, una relación LL/IP menor que 2,5 aproximadamente, es decir son los suelos A-7 y A-6 de la clasificación AASHTO. Para determinar la pérdida de serviciabilidad por hinchamiento de la sub-rasante se deben conocer: Constante de hinchamiento (θ), Levantamiento potencial vertical (VR) y Probabilidad de hinchamiento (Ps).



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La Constante de hinchamiento (θ), que puede variar entre 0,04 y 0,20, es un factor usado para estimar la velocidad en que se producirá la expansión de la sub-rasante. Se usan valores elevados de θ cuando el suelo está expuesto a aportes importantes de humedad, debido a fuertes lluvias, drenaje insuficiente, etc. Se usan valores bajos cuando es muy difícil el ingreso de humedad a la sub-rasante. El Levantamiento potencial vertical VR representa la expansión vertical que puede sufrir la sub-rasante bajo condiciones extremas (alta plasticidad de las arcillas y gran aporte de humedad). El valor de VR se puede obtener mediante ensayos de laboratorio, por procedimientos empíricos o aplicando la experiencia del proyectista. La probabilidad de hinchamiento (Ps) para un determinado proyecto se expresa como el porcentaje de su longitud expuesto a la expansión por arcillas. Es así que en una zona puntual existirá 100% de posibilidad de hinchamiento si el IP es mayor de 30% y el espesor de la capa expansiva es mayor de 60 centímetros o si el VR es mayor de 0,5 cm. En el presente proyecto las características de los suelos analizados muestra que no es necesario considerar la pérdida de serviciabilidad debido a hinchamiento de suelos arcillosos. 1.3.3

Pérdida de serviciabilidad de diseño DPSI

La pérdida de serviciabilidad de diseño DPSI se obtiene restándole a la pérdida de serviciabilidad por tránsito DPSIt, la pérdida de serviciabilidad debida a hinchamiento de suelos arcillosos PSISW.

COEFICIENTES DE DRENAJE El método AASHTO propone la utilización de coeficientes modificados de drenaje para las capas del pavimento, en función de las características de drenaje de los materiales, del material empleado y de la posición de la capa en la estructura del pavimento. De ésta manera, la calidad del drenaje es definida en función del tiempo exigido para la remoción del agua del pavimento. Tabla 5.20 Tiempos requeridos para drenar Calidad de Drenaje Excelente Bueno Regular Pobre Muy Pobre

50% de saturación en: 2 horas 1 día 1 semana 1 mes El agua no drena

80 % de saturación en: 2 horas 2 a 5 horas 5 a 10 horas Más de 10 horas Mucho más de 10 horas

Fuente: AASHTO Guía de Diseño 1993



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Considerando los datos de precipitaciones en la zona de influencia del proyecto se definen los coeficientes de drenaje. Las Tablas 5.5 y 5.6 indican los coeficientes recomendados ante diferentes situaciones de drenaje, en nuestro proyecto la calidad de drenaje de la estructura de pavimento será regular, es decir, el tiempo de remoción del agua del pavimento será cercano a los 7 días y el porcentaje de tiempo que el pavimento estará sujeto a condiciones de humedad próximas a la saturación será entre 5% a 25%. Tabla 5.21 Coeficiente de drenaje para pavimento flexible (mi) Calidad De Drenaje

Porcentaje del Tiempo en que el Pavimento está Sometido a Niveles Cercanos a la Saturación

Excelente Bueno Regular Pobre

< 1% 1,40 -1,35 1,35 -1,25 1,25 -1,15 1,15 -1,05

1 - 5% 1,35 -1,30 1,25 -1,15 1,15 -1,05 1,05 -0,80

5 - 25% 1,30 - 1,20 1,15 - 1,00 1,00 - 0,80 0,80 - 0,60

> 25% 1,20 1,00 0,80 0,60

Muy Pobre

1,05 -0,95

0,95 -0,75

0,75 - 0,40

0,40

Fuente: AASHTO Guía de Diseño 1993

Por lo expuesto, el valor adoptado para definir el coeficiente de drenaje (m i) para el proyecto es igual a mi = 0.95. La calidad del drenaje de las capas de material que constituirán la estructura del pavimento, determinada de la manera explicitada, se refleja en la obtención del número estructural (SN) a través de unos coeficientes de drenaje mi que afectan solamente a las capas no ligadas. NÚMERO ESTRUCTURAL El número estructural (SN) se usa para cuantificar la resistencia estructural de un pavimento requerida para una combinación de soporte suelo, tráfico total, confiabilidad y nivel de serviciabilidad. El SN requerido es convertido en espesores de concreto asfáltico, base y sub-base a través de coeficientes que representan la resistencia relativa (ai) de los materiales de construcción y asigna a todas las capas debajo de la capa de rodadura un coeficiente de drenaje (m i) que representa la pérdida relativa de resistencia debido a sus características de drenaje y tiempo total de exposición a condiciones de humedad próximas a la saturación. El número estructural está definido por la ecuación: SN  a1 D1  a 2 D2 m 2  a 3 D3 m 3

Donde: ai = coeficiente estructural de la capa mi = coeficiente de drenaje





Di = espesor de la capa COEFICIENTE ESTRUCTURAL DE LAS CAPAS El coeficiente estructural de una capa representa la relación empírica entre el número estructural SN y el espesor de dicha capa, siendo una medida de la capacidad relativa del material para actuar como componente estructural de un pavimento. El método AASHTO presenta diversas formas de obtener el valor del coeficiente estructural, en general a través de correlaciones con otras propiedades mecánicas de los materiales (CBR, módulo resiliente, módulo elástico, etc.). Estos coeficientes son posibles de determinar a través de ábacos o expresiones matemáticas. A continuación se presenta en la Tabla 5.7 valores referenciales de los coeficientes estructurales para los materiales empleados en la pavimentación. Tabla 5.22 Valores recomendados para el coeficiente estructural “a” Característica del material empleado CARPETA AC: a1 Mezcla en Planta (alta estabilidad) Mezcla en Planta (arena – asfalto) Mezcla en Vía (baja estabilidad) CAPA BASE: a2 Grava – Arena Piedra Triturada Grava con Cemento qu 7 días: 45.5 kg/cm2 2 qu 7 días: 28 - 45.5 kg/cm qu 7 días: 28 kg/cm2 o menos Grava Estabilizada con Asfalto Arena Estabilizada con Asfalto Material tratado con Cal CAPA SUB-BASE:a3 Grava – Arena con cemento Arena o Arena Arcillosa

1.3.4

Valor 0,44 0,40 0,20 0,07 0,14 0,23 0,20 0,15 0,34 0,30 0,15 – 0,30 0,11 0,05 – 0,10

Bases Granulares

La ecuación que determina el coeficiente estructural de materiales empleados en bases granulares se muestra a continuación. a 2  0,249  (log10 E BS )  0,977

Donde: EBS = módulo elástico de la base granular en psi. 1.3.5

Subbases Granulares





La expresión matemática que determina el coeficiente estructural de materiales de la capa de refuerzo de la subrasante es la siguiente.

a3  0,227   log10 E SB   0,839 Donde: ESB = módulo elástico de la subbase granular en psi. 1.3.6

Mezcla y coeficiente estructural del Concreto asfáltico

Las mezclas de HMA (high matrix asphalt) difieren unas de las otras principalmente por el tamaño máximo del agregado, la gradación del mismo y el contenido/tipo de ligazón (imprimación) de asfalto. Las mezclas más comunes son: 1) HMA gradación-densa, 2) matriz asfalto-piedra (SMA) y 3) HMA de gradación-abierta. Una mezcla de gradación-densa HMA es una mezcla bien gradada para uso general. Son definidas por el tamaño máximo nominal del agregado y pueden ser luego clasificadas en gradación fina y gradación gruesa. Son adecuadas para todo pavimento y condiciones de tráfico. Trabajan bien para las necesidades: estructurales, de fricción, nivelación y parchado. La Tabla 5.8 muestra, de manera referencial, las recomendaciones de gradación para una mezclas de concreto asfáltico realizadas por la Asociación Nacional de Pavimentos Asfálticos de los estados Unidos. Tabla 5.23 Definiciones de gradación del HMA

Fuente: National Association of Pavement Asphalts NAPA E.U., 2001

De acuerdo con el Instituto del Asfalto, el tamiz Nº 8 (2,36 mm) define la textura de la mezcla. En caso de desear que la carpeta de rodamiento tenga textura fina el pasante por dicho tamiz debe aproximarse al límite superior. Por el contrario, si la intención es lograr textura gruesa se debe acercar al límite inferior. Para el presente proyecto se recomienda la ejecución de carpetas de rodamiento con textura gruesa, que presentan mayor adherencia neumático – pavimento. Para ello en las Especificaciones se debe indicar que la mezcla debe tender a valores entre el 30 y 35% en el mencionado tamiz.





Con relación al tipo de asfalto a utilizar en las mezclas en caliente, se recomienda que cumplan los requerimientos de la Norma ABC y optar por el CA 85-100 con viscosidades absolutas entre 2.400 y 3.600 poises. Con relación al contenido de asfalto, y considerando los agregados pétreos que se utilizarán en esta obra, se considera importante limitar el porcentaje mínimo al 4,9% en carpeta. En cuanto a las exigencias del ensayo Marshall, se recomienda complementar la especificación de la Norma ABC incorporando lo siguiente: 

Estabilidad: Mínimo 800 kg - Máximo 1.000 kg



Relación pasante # 200 sobre contenido de asfalto, menor o igual a 1,1



Relación Estabilidad – Fluencia entre 1.600 y 2.000 kg.cm

Se aconseja que no deban establecerse diferencias de calidad entre base y carpeta asfáltica. La experiencia indica que el ensayo Marshall tiene dispersiones importantes en sus valores de estabilidad y fluencia, que no se condicen con la posible variación de calidad de la mezcla ensayada, ya que estas dispersiones existen aún con cada una de las probetas del juego de tres. Atento a la existencia de tales dispersiones, resulta aleatorio exigir un nivel de calidad y uniformidad en este ensayo, por lo que se estima conveniente circunscribirse al entorno de valores máximos y mínimos requeridos. Por otra parte se considera que lo importante en este caso, es que la mezcla colocada presente estabilidades y fluencias que se encuadren dentro de los límites fijados, y no que sean un porcentaje de los valores de la Fórmula. La Tabla 5.9 es una referencia para seleccionar una adecuada mezcla asfáltica en función del flujo de tráfico existente y proyectado. De la Tabla se ha adoptado para el proyecto la mezcla HMA gradación-densa (i.e., CA 85-100).





Tabla 5.24 Guía general para tipos de mezcla apropiados para capas asfálticas

A = Apropiado., M.A. = Moderadamente apropiado, Vacío = No apropiado. Fuente: National Association of Pavement Asphalts NAPA E.U., 2001

Considerando al concreto de gradación densa (HMA o AC 85-100) como favorable para el presente proyecto y se ha determinado su aporte estructural (coeficiente a 1) de las Figuras 5.2 y 5.3 recomendadas en la Guía AASHTO 93.

Figura 5.11 Nomograma del Coeficiente estructural de la capa de rodadura de CA relacionada a diferentes ensayos de Asfalto (Van Til et al. 1972)



GEOVIAL


Coeficient e estructura l de capa a1 para el concreto asfáltico


Módulo Elástico EAC (psi) del Concreto Asfáltico a 20ºC

Figura 5.12 Carta para estimar el coeficiente estructural del Concreto Asfáltico Densamente gradado en función del módulo elástico (resiliente) De las Figuras 5.2 y 5.3 anterior se ha determinado el aporte unitario estructural con una estabilidad Marshall mínima de 800 kg (1766 lb.); lo que corresponde a un coeficiente de aporte estructural en el concreto asfáltico AC igual a 0,41/pulg. (0,161/cm), y un módulo resiliente de 400.000 psi (2760 MPa). No obstante, se adopta un valor de 0,17/cm que es de uso generalizado en nuestro país, lo que corresponde a un valor de a 1 igual a 0.433/pulg. Este valor de coeficiente estructural representa aproximadamente 420000 psi de acuerdo con la Figura 5.3. La Tabla 5.10 presenta los coeficientes estructurales adoptados en el proyecto para los materiales de la estructura del pavimento.



GEOVIAL



Tabla 5.25 Coeficientes estructurales adoptados Capas

Código

Concreto asfáltico

CA

Revestimiento Base Subbase

TSD BS SB

Material Matriz asfáltica densamente gradada (valores característicos tomados a 20ºC) Tratamiento Superficial Doble Granular triturado Granular

CBR %

Módulo elástico ó MR (psi)

ai

N.A.

420000,00

0,433/pulg.

N.A. 80,0 40,0

N.A. 29232,33 16199,09

0,001 0,135/pulg. 0,117/pulg.


MÓDULO RESILIENTE DE LA SUBRASANTE (MR) El módulo resiliente MR de un material es básicamente una estimación de su módulo de eslasticidad bajo consideraciones de deformación sucesiva y permanente debida a cargas repetitivas (AASHTO T-292: Resilient Modulus of Subgrade Soils and Untreated Base/Subbase Materials). En la guía de diseño AASHTO 93 se tienen las siguientes correlaciones (en psi): Heukelom y Klomp (1962) para CBR<10% E SG  M R  1500  CBR

F.N. Hveem y R.M. Carmany 1940 (AASHTO T190 y ASTM 2844) E SG  M R  1000  555 R

Donde: R = valor resistente del suelo. La nueva propuesta de la AASHTO (2002) para suelos granulares, proviene de la investigación realizada por el National Council & Highway Research Program (Concilio Nacional y Programa de Investigación para Carreteras NCHRP) de los Estados Unidos, en su documento reporte 1-37A, revisado y aceptado por la Transportation & Roadway Research Laboratory (TRRL). M R  2555  CBR 0.64

El módulo resiliente efectivo de la subrasante (MR) es calculado en base a los valores modulares zonales asociados a los respectivos daños unitarios sufridos por la estructura en función de dichos valores. En el presente estudio, fueron adoptados los valores del módulo resiliente a través de correlaciones con el CBR. Tomando en cuenta que el CBR es obtenido Mejoramiento Carretera Chachacomani – Millipaya – Cr. Sorata


GEOVIAL



por medio de proceso de saturación del cuerpo de prueba, se consideró despreciable el efecto de zonalidad de la humedad en sitio, lo que justifica la adopción directa de los valores presentados. Debido a que en nuestro medio no se disponen de valores del Módulo Resiliente (MR), obtenidos a través de ensayo triaxial de laboratorio, para el presente estudio el Módulo Resiliente de la subrasante de diseño se define bajo las correlaciones recomendadas por la AASHTO y NCHRP 1-37ª y el CBR de diseño que se ha determinado anteriormente en el apartado 4.4. En la Tabla 5.11 se presenta el valor definido para la subrasante. Tabla 5.26 Módulo Resiliente de la Subrasante Capa

CBR

MR [psi]

Subrasante

15.16 %

14273,63


CÁLCULO DE ESPESORES DE CAPAS DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTOS Una de las normativas, AASHTO recomienda algunos espesores mínimos para las capas de revestimiento y capas base en función del número de ejes equivalentes acumulados (Sección II-35; AASHTO/93 Guide for Design of Pavement Structures). Sin embargo, los espesores de las capas deberán ser determinados a través de los siguientes pasos: 1. Determinación de los números estructurales necesarios sobre la subrasante (SN3), sobre la subbase (SN2) y sobre la base (SN1), conforme lo indicado en la Figura 5.1. La ecuación indicada anteriormente deberá ser utilizada para la determinación de los números estructurales requeridos para cada capa.

Figura 5.13 Determinación de los Espesores de Pavimento Fuente: Elaboración propia



GEOVIAL



2. El espesor del revestimiento es calculado por la expresión: *

H1 

SN 1 a1

3. El espesor de la base es calculado por la expresión: *

*

SN 1  a1 H 1  SN 1

H2

*

SN 2  SN 1  a 2  m2

*

4. El espesor de la subbase es calculado por la expresión: *

*

SN 1  SN 2  SN 2 *

H3 



*

SN 3  SN 1  SN 2 a 3  m3

*



Si los espesores obtenidos a través de las expresiones matemáticas resultan inferiores a los espesores mínimos definidos en el método AASHTO, dichos valores mínimos deberán ser adoptados, lo que obliga a la definición nuevos valores de SN 1 y SN2, con base en los espesores adoptados. En el Anexo 3 se pueden apreciar las planillas iterativas de cálculo para el diseño de la estructura de pavimento. ESPESORES DE LAS CAPAS DE PAVIMENTO FLEXIBLE En este apartado se definen los espesores de la estructura de pavimento flexible con concreto asfáltico (CA) y tratamiento superficial doble (TSD). Estas alternativas cumplen con los parámetros de diseño AASHTO en relación al número estructural total requerido. Sin embargo, esta estructura no cumple con la verificación por capas de revestimiento, para lo cual son necesarios mayores espesores de las capas de base y subbase. En consecuencia, los espesores de las capas de la estructura del pavimento, fueron adoptados en base a los siguientes criterios: aplicando las recomendaciones de espesores mínimos sugeridos para el concreto asfáltico y la base granular en función al tránsito (ejes equivalentes acumulados). Y por otra parte, en función a la disponibilidad de material y sus distancias de transporte. Las Tablas 5.12, 5.13 y 5.14 presentan los espesores del diseño resultantes de la estructura de pavimento flexible con capa de rodadura de concreto asfaltico y rodadura de tratamiento superficial doble respectivamente. Mejoramiento Carretera Chachacomani – Millipaya – Cr. Sorata


GEOVIAL



Tabla 5.27 Pavimento Flexible – Capa de Rodadura de Concreto Asfáltico densamente gradado (Periodo de diseño 20 años) Capas

Código

Revestimiento

CA

Base Subbase

BS SBS

Material Matriz asfáltica densamente gradada Granular triturado Material Granular

Espesor (mm) 50 110 110


Tabla 5.28 Pavimento Flexible – Capa de Rodadura de Tratamiento Superficial Doble (Periodo de diseño 15 años) Capas

Código

Material

Espesor (mm)


TSD BS SBS

Trat. Superficial Doble Granular triturado Material Granular

25 150 220


Tabla 5.29 Pavimento Flexible – Capa de Rodadura de Tratamiento Superficial Doble (Periodo de diseño 20 años) Capas

Código

Material

Espesor (mm)


TSD BS SBS

Trat. Superficial Doble Granular triturado Material Granular

25 150 250


Considerando los bajos volúmenes vehiculares previstos (141210 ESALs hasta el año 2033), los resultados de la Tabla 5.13 se presentan como los más adecuados para la implementación en el proyecto, puesto que de acuerdo con la experiencia que se tiene en tratamientos superficiales, éstos no llegan a una vida útil de 20 años dada sus características físicas y constructivas; y son especialmente planeados para tener un recarpetado dentro un tiempo previsto de diseño entre los 6 a 8 años después de su puesta en uso. MEJORAMIENTO DE SUBRASANTE Como parte de las consideraciones de diseño, se ha tenido presente la existencia de suelos con características adecuadas y de buena capacidad portante. Los tres primeros kilómetros del proyecto son los sectores con CBRs más bajos (del orden de 11.35%) con relación a los Mejoramiento Carretera Chachacomani – Millipaya – Cr. Sorata




otros obtenidos en el terreno pero que sin embargo son suelos superiores a los suelos considerados como de calidad media (i.e., CBRs al redededor de 8%). En este tramo será necesario el mejoramiento de la subrasante con material de préstamo para alcanzar el CBR de diseño.



GEOVIAL



SUPERFICIE GRANULAR DE RODADURA

La carpeta de ripio no pretende tener las características y cualidades de una calzada pavimentada, solo pretende tener las mejores cualidades viales posibles con agregado natural y que mejore las condiciones que ofrece una calzada de tierra. Así mismo, se aclara que fue considerado un periodo de vida útil de 5 años, debido a la pérdida de material granular asociado al ripio. MÓDULO RESILIENTE LA SUBRASANTE (MR) El módulo resiliente efectivo de la subrasante (MR) es calculado en base a los valores modulares zonales asociados a los respectivos daños unitarios sufridos por la estructura en función de dichos valores. Se ha empleado el valor obtenido del CBR de diseño del Estudio de Suelos y que se ha presentado anteriormente en la Tabla 5.11 del capítulo anterior, es decir un CBR de diseño igual a 15.16% que corresponde a un módulo resiliente de 14273.63 psi. COEFICIENTE ESTRUCTURAL El coeficiente estructural que aporta la capa de ripio se ha considerado igual al que le correspondería a la capa subbase. De esta manera se tiene que para un valor de CBR de 40% le corresponde un valor de coeficiente estructural (a2) igual a 0.117/pulg. CÁLCULO DEL ESPESOR DE LA CAPA DE RIPIO Para el cálculo del espesor requerido de ripio, es necesario determinar previamente el Número Estructural (SN) empleando luego la ecuación de la AASHTO descrita anteriormente: PSI    4 ,2  1,5  1094 

log10 W18   Z R  S o  9 ,36  log10  SN  1  0.20 

log10  0 ,40 

 2 ,32  log10  M R   8 ,07

 SN  1 5 ,19

Donde: W18 = número estimado predecido de repeticiones de ejes equivalentes de eje simple ESALs de 18000 lb (8,2 Ton); ZR =

desviación estándar normal (Anexo E-3)



GEOVIAL


So =


error combinado estándar de la predicción del tráfico y de la predicción del desempeño del pavimento;

SN = número estructural o índice de espesor PSI = diferencia entre el índice de servicio inicial p o y el terminal pt (4.5 y 3.0 respectivamente según Carey & Irick 1960); MR =

módulo resiliente de la subrasante (psi)

Como se ha descrito anteriormente, el número estructural (SN) es un valor abstracto que expresa la capacidad estructural de un pavimento, necesaria para una combinación de soporte de la subrasante, número total de repeticiones de un eje estándar de 8,2 ton, nivel de servicio deseado para el final del período de proyecto (vida útil) y condiciones ambientales. Espesor necesario de ripio Considerando los ESALs correspondientes para un periodo de no más de 5 años (debido a la pérdida de agregado) de la Tabla 6.2 y empleando la ecuación de la Guía de Diseño AASHTO 93 se ha obtenido el siguiente espesor necesario de ripio: Tabla 6.30: Pavimento Flexible – Capa de Rodadura De Ripio Capas Material Granular CBR > 40%

Código

Material

Espesor (mm)

MG

Granular

230


Se ha adoptado, sin embargo, un espesor de ripio igual a 30 cm para 5 años de vida útil. El detalle de obtención del espesor se muestra en el Anexo 2.










RESUMEN DE ESPESORES

La Tabla 7.1 presenta el resumen de los espesores de las capas pavimento para las alternativas estructurales contempladas en este proyecto, en ellas existen valores adoptados para cada tramo, para más detalles de cálculo se adjuntan los detalles de cálculo en el Anexo 3. Tabla 7.32 Resumen del paquete estructural de las alternativas Alternativa Concreto Asfaltico Tratamiento Superficial Doble Ripio

Descripción Capa de Concreto Asfaltico Capa Base Capa Subbase Tratamiento Superficial Doble Capa Base Capa Subbase Material Granular CBR > 40%

Espesor (cm) 5 11 11 2.5 15 22 30


La Figura 7.1 muestra la sección tipo de la plataforma para el mejoramiento de la carretera y las Figuras 7.2, 7.3 y 7.4 ilustran de manera esquemática los diferentes paquetes estructurales de pavimento considerados en el presente informe.

Figura 7.14 Sección Tipo de la plataforma para el mejoramiento de la carretera



GEOVIAL



3,5%

1,5 1

CONCRETO ASFÁLTICO = 5 cm CAPA BASE = 11 cm CAPA SUBBASE = 11 cm

Figura 7.15 Pavimento Flexible – capa de rodadura de concreto asfaltico

3,5%

1,5 1

TRATAMIENTO SUPERFICIAL DOBLE = 2,5 cm CAPA BASE = 15 cm CAPA SUBBASE = 22 cm

Figura 7.16 Pavimento Flexible – capa de rodadura TSD

3,5%

1,5 1

CAPA DE RIPIO = 30 cm

Figura 7.17 Ripio



GEOVIAL



ANEXOS ANEXO 1:

RESUMEN DE RESULTADOS DE LABORATORIO DE SUELOS

ANEXO 2:

DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES

ANEXO 3:

RESULTADOS DE DISEÑO DEL PAQUETE ESTRUCTURAL


PAQUETE ESTRUCTURAL

GEOVIAL



ANEXO 1 RESUMEN DE RESULTADOS DE LABORATORIO DE SUELOS


PAQUETE ESTRUCTURAL

GEOVIAL



ANEXO 2 DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES (ESALs)


PAQUETE ESTRUCTURAL

GEOVIAL



ANEXO 3 RESULTADOS DE DISEÑO DEL PAQUETE ESTRUCTURAL DE LAS ALTERNATIVAS


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