EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE

EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE

CONTENIDO

Exploración

de la subrasante

Defi fini nicció iónn De

del per del erfi fill y deli limi mita taci cióón de áreas homogéneas Determinación

de la resistencia o respuesta de diseño para cada área homogénea

CONTENIDO

Exploración

de la subrasante

Defi fini nicció iónn De

del per del erfi fill y deli limi mita taci cióón de áreas homogéneas Determinación

de la resistencia o respuesta de diseño para cada área homogénea


La

respuesta del suelo de subrasante es el factor más importante en la determinación de los espesores de diseño del pavimento La

respuesta de la subrasante ante las cargas del tránsito depende de los tipos de suelo que la constituyen y de la densidad y la humedad de ellos, tanto durante la construcción como durante el servicio


La

caracterización de los suelos de subrasante comprende las siguientes etapas: Exploración de la subrasante Definición del perfil y delimitación de áreas homogéneas — Ejecución de ensayos de resistencia sobre los suelos predominantes — Determinación del valor de resistencia o de respuesta de diseño para cada área homogénea — —


EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE

EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE Se

debe adelantar una investigación a lo largo del alineamiento aprobado, con el fin de identificar la extensión y la condición de los diferentes depósitos de suelos que se encuentren La

investigación se realiza mediante perforaciones a intervalos definidos de acuerdo con la variabilidad del terreno, la longitud y la importancia del proyecto y los recursos técnicos y económicos disponibles Las

perforaciones deberán alcanzar, cuando menos, 500 mm bajo la cota proyectada de subrasante

EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE INTERVALOS ENTRE PERFORACIONES

EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE EJECUCIÓN DE PERFORACIONES

EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE REGISTRO DEL PERFIL EN EL TERRENO

EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE REGISTRO DEL PERFIL Y TOMA DE MUESTRAS

EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE Se

debe tomar suficiente cantidad de muestra de cada suelo encontrado en las perforaciones para determinar: — Humedad natural — Límites de consistencia — Granulometría — Compactación — Resistencia o respuesta ante cargas transitorias Igual

tratamiento se debe dar a los suelos de préstamo que se colocarán en los rellenos y que influirán en el comportamiento del pavimento

EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS Los

sistemas de clasificación encuadran los suelos en una determinada tipología a partir de su granulometría y límites de consistencia El

sistema más apropiado para clasificar los suelos para estudio de calles y carreteras es el AASHTO Las

muestras para clasificación y otros ensayos no se deben tomar al azar, sino de acuerdo con el desarrollo del perfil a lo largo de la vía y la secuencia en que se presenten las diferentes capas de suelo

EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS Determinación de granulometría

Determinación de los límites de consistencia

EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE TABLA DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS DE LA AASHTO


DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS

DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS SECTORIZACIÓN INICIAL POR TRÁNSITO Inicialmente

se sectoriza el tramo en estudio, de acuerdo con los niveles esperados de tránsito a lo largo de él

DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS SECTORIZACIÓN COMPLEMENTARIA POR TIPOS DE ROCA O SUELO A

partir de las clasificaciones de los suelos de subrasante encontrados en las perforaciones, se elabora un perfil

DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS DETERMINACIÓN DE LAS ÁREAS HOMOGÉNEAS DE DISEÑO Se

determina la longitud en la cual predomina cada suelo y se delimitan áreas homogéneas para efectos de diseño, teniendo en cuenta el tránsito de proyecto Las

secciones escogidas deben ser de suficiente longitud, con el fin de que los diseños resultantes den lugar a una construcción práctica y económica

DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS DETERMINACIÓN DE LAS ÁREAS HOMOGÉNEAS DE DISEÑO

DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS

DETALLE DE LOS SUELOS DE LA UNIDAD 4

DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS DETERMINACIÓN DE LAS ÁREAS HOMOGÉNEAS DE DISEÑO Si

en un tramo hay gran heterogeneidad en los suelos y no se puede definir uno como predominante, el diseño se basará en el más frecuente de los suelos débiles encontrados Distribución de la clasificación de los suelos de la unidad 4a


EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA

Los

ensayos de resistencia o de respuesta se deben realizar sobre muestras representativas de los suelos predominantes, reproduciendo las condiciones de humedad y densidad que se espera prevalezcan en servicio El

ensayo más utilizado es el CBR, el cual es una medida de la resistencia del suelo al esfuerzo cortante bajo condiciones de humedad y densidad controladas, que tiene aplicación en el diseño y en la evaluación de pavimentos asfálticos


El

soporte de la subrasante se puede expresar, también, en términos del módulo de reacción, obtenido a través de pruebas de placa directa. Este módulo se usa en el diseño de pavimentos rígidos La

respuesta del soporte se puede caracterizar también en términos de parámetros elásticos (módulo resiliente y relación de Poisson), los cuales se aplican en los procedimientos empírico mecanísticos de diseño de pavimentos asfálticos


ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR) El

ensayo más utilizado es el CBR, el cual representa la relación, en porcentaje, entre el esfuerzo requerido para penetrar un pistón cierta profundidad dentro del suelo ensayado y el esfuerzo requerido para penetrar un pistón igual, la misma profundidad, dentro de una muestra patrón de piedra triturada CBR 

esfuerzo en el suelo ensayado (penetración x) esfuerzo en la muestra patrón (penetración x)

*100


ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR) Valores de esfuerzo en la muestra patrón La

muestra patrón fue elegida y ensayada por O.J. Porter, en California, en 1929, presentando los siguientes esfuerzos requeridos para diferentes profundidades de penetración del pistón: Penetración del pistón Esfuerzo

(mm)

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

(pulg.)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

(MPa)

6.89

10.34

13.10

15.86

17.93

(lb/pg2)

1000

1500

1900

2300

2600


ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR)


ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR) Para

cada muestra preparada se dibuja una gráfica relacionando Esfuerzo vs Penetración del pistón:


ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR) Para

cada muestra elaborada, se calcula su valor de CBR para penetraciones del pistón de 0.1‖ (2.5 mm) y 0.2‖ (5.0 mm) con las expresiones : CBR 0.1"

σ



CBR 0.2" 

0.1"

1000 psi σ

0.2"

1500 psi

*100

*100


DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO CONDICIONES DE EQUILIBRIO Humedad La

resistencia de los suelos, en especial los finos, está directamente relacionada con sus condiciones de humedad y de densidad Se

recomienda determinar la resistencia de la subrasante bajo la condición más húmeda que se espere una vez que el pavimento se encuentre en servicio


DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO CONDICIONES DE EQUILIBRIO Humedad Compactar

suelos finos con humedades bajas para conseguir altas densidades y altas resistencias durante la construcción, no constituye una buena práctica, por cuanto el suelo queda con una estructura que se debilita considerablemente con el humedecimiento, lo que se traduce en pérdidas posteriores de densidad y de resistencia e incrementos en la expansión

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS DE ACUERDO CON LA HUMEDAD PARA LA DETERMINACIÓN DE SU RESISTENCIA


DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO CONDICIONES DE EQUILIBRIO Efectos del subdrenaje sobre la humedad de la subrasante Los

cambios de humedad de la subrasante por filtración y fluctuaciones del nivel freático pueden ser controlados con la instalación y mantenimiento de dispositivos de subdrenaje Estos

dispositivos sólo son efectivos si la humedad del suelo está sujeta a presión de poros positiva


DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO CONDICIONES DE EQUILIBRIO Efectos del subdrenaje sobre la humedad de la subrasante Si

las filtraciones de agua provenientes de la parte superior son inevitables y abundantes, conviene determinar la resistencia de los suelos en condición saturada cuando correspondan a las categorías 1 y 2 y con la humedad óptima del ensayo normal de compactación (Proctor Standard) cuando correspondan a la categoría 3


DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO CONDICIONES DE EQUILIBRIO Densidad La

densidad que alcanza la subrasante bajo una superficie impermeable (densidad de equilibrio), es función del tipo de suelo y del entorno ambiental en el cual actúa Existen

procedimientos para estimar a priori la densidad de equilibrio En

general, resulta suficiente considerar una densidad equivalente al 95% de la máxima del ensayo modificado de compactación (tomar precauciones en el caso de los suelos expansivos)


CRITERIO AUSTRALIANO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA EN CONDICIONES DE EQUILIBRIO Factor de corrección (F) por aplicar al CBR sumergido* para estimar el CBR en condiciones de equilibrio in situ Precipitación anual Tipo de suelo ** (mm) IP < 10 IP > 10 < 600 1,0 - 1,5 1,4 - 1,8 >600 y <1000 0,6 - 1,1 1,0 - 1,4 >1000 0,4 - 0,9 0,6 - 1,0

* Cuando el CBR sumergido ha sido usado exitosamente no hay razón para modificar el resultado con el factor F ** Los valores más bajos de cada rango se aplican en situaciones donde se espera que el drenaje sea pobre, el nivel freático elevado, etc. Los valores mayores se aplican en la situación opuesta


DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA MEDIANTE ENSAYOS DE CAMPO Generalmente

resulta adecuado estudiar la resistencia de la subrasante de pavimentos construidos sobre el mismo suelo en vecindades del proyecto, los cuales hayan estado sometidos a tránsito cuando menos 3 años En

estos suelos, el CBR se puede medir directamente mediante el método de campo (Norma de ensayo INV E169) o se puede estimar a partir del ensayo del penetrómetro dinámico de cono (PDC)


DETERMINACIÓN DEL CBR EN EL CAMPO


ENSAYO DEL PENETRÓMETRO DINÁMICO DE CONO Ensayo

apropiado para estimar la resistencia de suelos predominantemente finos Mediante

esta prueba se mide la rata a la cual penetra en el suelo una varilla con una punta cónica, a medida que es golpeada desde cierta altura con una masa especificada de 8 kg La

resistencia a la penetración es la pendiente de la recta ―Número de golpes vs penetración‖, denominada número dinámico (ND) y se expresa en mm/golpe


ENSAYO DEL PENETRÓMETRO DINÁMICO DE CONO


RESULTADO DE UN ENSAYO PDC


ENSAYO DEL PENETRÓMETRO DINÁMICO DE CONO La

rata de penetración del PDC (Número Dinámico) puede ser relacionada con otros valores de resistencia in-situ, como el CBR


PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE 1. Módulo resiliente (MR )  Es un estimativo del módulo elástico, basado en medidas de esfuerzo y deformación a partir de cargas rápidas repetidas, similares a las que experimentan los materiales del pavimento bajo la acción del tránsito  No es una medida de la resistencia, pues el material no se lleva a rotura, sino que retorna a su tamaño y forma originales 2.Relación de Poisson ( )  Es la relación entre las deformaciones transversales y longitudinales de un espécimen sometido a carga


PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Módulo resiliente (MR ) 

Se determina mediante el ensayo triaxial dinámico:


PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Procedimiento para hallar el Módulo Resiliente (MR ) 1. Se coloca una muestra compactada en la cámara triaxial dentro de una membrana 2. Se somete a una presión de confinamiento (s3) 3. Se aplican pulsos repetidos de un esfuerzo axial desviador (sd)


PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Procedimiento para hallar el Módulo Resiliente (M R ) 4. Se miden las deformaciones recuperables (DL) que ocurren en una determinada longitud de la probeta (L) 5. Se calcula la deformación axial recuperable (er = DL/ L) 6. Se determina el módulo resiliente para ese esfuerzo desviador (MR = sd/ er ) 7. Se repite el procedimiento con otros esfuerzos axiales desviadores


Procedimiento para hallar el Módulo Resiliente (MR )


PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Módulo resiliente (MR ) Debido

al comportamiento mecánico no lineal de los suelos, su caracterización se debe adelantar sobre un rango de humedades y estados de esfuerzos que representen las condiciones esperadas en el terreno


PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Módulo resiliente(MR ) El módulo resiliente de los suelos cohesivos decrece con el aumento del esfuerzo desviador y de la humedad del suelo, así como con la disminución de la presión de confinamiento (ablandamiento por esfuerzos)

MR = A*

d

-B


PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Módulo resiliente(MR ) El módulo resiliente de los suelos granulares aumenta con el estado de esfuerzos, debido al aumento de la trabazón entre las partículas individuales (endurecimiento por esfuerzos) y disminuye con el incremento de la humedad del suelo

MR = K 1(I1)K2 I1=

1

+

2

+

3


PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Relación de Poisson ( )


ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASHTO T 222) Se realiza para obtener el módulo de reacción de la subrasante (k ) el cual se usa en el diseño de pavimentos rígidos 

El valor k fue desarrollado básicamente como una constante de resorte que recibe el soporte bajo la losa de concreto 

La deflexión de los resortes es proporcional a la presión aplicada, es decir, la presión reactiva para resistir para resistir una carga es proporcional a k y a l a deflexión de la losa ( ) 


ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASHTO T 222)


ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASTHO T 222)


ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASTHO T 222) Determinación del módulo de reacción  Se coloca el equipo sobre el suelo por ensayar, se somete la placa a diversas presiones y se miden las deflexiones 

Se dibuja una curva ―deflexión vs presión‖


ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASTHO T 222) Determinación del módulo de reacción El

valor de “k” se calcula dividiendo la presión sobre la placa, por la deflexión correspondiente. Hay dos criterios: — a) Usar para el cálculo la presión para

D=

0.05 pulgadas

— b) Usar para el cálculo la deflexión para p = 10 psi k 

k 

16 0.05 10 0.024





320 pci

416 pci


CORRELACIONES ENTRE DIFERENTES VALORES DE RESPUESTA DE LOS SUELOS No todas las agencias viales están familiarizadas o disponen de equipos modernos para caracterizar los suelos de subrasante y los materiales no ligados del pavimento 

Es permitido el uso de correlaciones entre diversos indicadores de la resistencia o de la respuesta del suelo 

La aplicación de estas correlaciones debe ser cuidadosa, por cuanto ellas se basan en un número limitado de datos 


CORRELACIONES ENTRE DIFERENTES VALORES DE RESPUESTA DE LOS SUELOS


CORRELACIONES ENTRE DIFERENTES VALORES DE RESPUESTA DE LOS SUELOS


DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCI RESIS TENCIA AO RESPUESTA DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA

RESISTENCIA O RESPUESTA DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA

SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Cualquiera sea el método para medir la resistencia o la respuesta del suelo, cada muestra o cada ensayo dará generalmente un resultado diferente 

Es importante que el valor utilizado para el diseño no sea ni subestimado, por cuanto dará lugar a un mayor costo de construcción del pavimento, ni sobreestimado en un grado tal, que existan riesgos importantes de falla 


SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO El

número de ensayos por área homogénea depende de la extensión del proyecto: – Para

vías muy cortas ( ≤ 150 metros) son suficientes dos pruebas

– Para

tramos extensos (≥ 3,000 metros) se recomienda un mínimo de 5 y un máximo de 9 por suelo homogéneo

– Para

tramos de longitud intermedia se aplicará el criterio del diseñador


SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Cuando

se tengan menos de 5 resultados, se recomienda tomar el menor valor de resistencia o de respuesta determinado en condiciones de equilibrio Cuando

se tengan 5 resultados o más, la elección del valor de diseño del área, dependerá del método de diseño del pavimento que se vaya a emplear: - Si se aplican AASHTO – 93 o INVIAS, se tomará el valor promedio - Para otros métodos, se puede emplear el criterio del Instituto del Asfalto


SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO CRITERIO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO

N

Valor que es igualado o excedido por el X % de resultados

Menor o igual a 104

X= 60%

Entre 104 y 106

X=75%

Mayor o igual a 106

X= 87.5%


SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Los valores de diseño de cada área se deben redondear así: 

CBR (%)

Redondear a

MR (kg/cm2)

Redondear a

Menor de 5

0.5

Menor de 500

50

5 - 20

1

500 - 2000

100

20 - 50

5

2000 - 5000

500

Mayor de 50

10

Mayor de 5000

1000


SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Ejemplo de aplicación Los

resultados de 8 ensayos triaxiales dinámicos produjeron los siguientes módulos resilientes de un suelo de subrasante en un área homogénea: 6,200 – 9,500 – 8,800 – 7,800 - 13,500 – 10,000 – 11,900 y 11,300 lb/pg2 Determinar el N de 104 , 105 y

módulo de diseño del área, para valores 106 ejes equivalentes de 80 kN


SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Solución Criterio

M R de diseño 

de AASHTO 93 e INVIAS 6,200  7,800  8,800  9,500  10,000  11,300  11,900  13,500 8



9,875 psi

MR de diseño = 9,875 psi (10,000 psi) para cualquier tránsito de diseño


SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Solución Criterio

del Instituto del Asfalto:

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