Suelo de Fundación y Subrasante

FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

CURSO: PAVIMENTOS

DOCENTE: Ing. Revilla Cancan Walter


SUELO DE FUNDACIÓN Y SUBRASANTE SUELO DE FUNDACIÓN

I.

CONCEPTO: Se denomina suelo de fundación a la capa del suelo bajo la estructura del pavimento, preparada y compactada como fundación para el pavimento. Se trata del terreno natural o la última capa del relleno de la plataforma sobre la que se asienta el pavimento. La caracterización de los suelos para esta capa de fundación se basa en los siguientes aspectos:

II.

METODOLOGÍA

Comprende básicamente una investigación de campo a lo largo de la vía, mediante la ejecución de pozos exploratorios (calicatas) A continuación se procede a describir el plan de trabajo a desarrollar en cada etapa: Trabajo de campo:

Con el objeto de determinar las características físico-mecánicas de los materiales de la subrasante se lleva a cabo investigaciones mediante la ejecución de pozos exploratorios o calicatas de 1.5 m de profundidad mínima (respecto del nivel de subrasante del proyecto; con un mínimo de 3 calicatas por kilómetro, ubicadas longitudinalmente a distancias aproximadamente iguales y en forma alternada (izquierda-derecha) dentro de una faja de hasta 5m a ambos lados del eje del trazo, preferentemente al borde de la futura calzada. De los estratos encontrados en cada una de las calicatas se obtendrá muestras representativas, las que deben ser descritas e identificadas. Descripción de los suelos:

Los suelos encontrados son descritos y clasificados de acuerdo a metodología para construcción de vías, las mismas que deben corresponder al siguiente cuadro:

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Trabajo de laboratorio:

Todas las muestras representativas obtenidas de los estratos de las calicatas del suelo de fundación deberán contar con los siguientes ensayos: Análisis granulométrico por tamizado. Límites de consistencia: Límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad. Clasificación SUCS. Clasificación AASHTO. Humedad Natural. Proctor Modificado (Por cada tipo de suelo representativo y como control uno cada 2 km de máximo espaciamiento). C.B.R. (Por cada tipo de suelo representativo y como control uno cada 2 km de máximo espaciamiento). Labores de gabinete:

En base a la información obtenida durante los trabajos de campo y los resultados de los ensayos de laboratorio, se efectúa la clasificación de suelos utilizando los sistemas SUCS y AASHTO. Nota:

Si el terreno de fundación es malo y se halla formado por un suelo fino, limoso o arcilloso susceptible de saturación habrá de ponerse una sub-base de material granular seleccionada antes de ponerse la base y capa de rodadura.

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SUBRASANTE

I. CONCEPTO: Es la capa de terreno de una carretera que soporta la estructura del pavimento y que se extiende hasta una profundidad que no afecte la carga de diseño que corresponde al tránsito previsto. Esta capa puede estar formada en corte o relleno y una vez compactada debe tener las secciones transversales y pendientes especificadas en los planos finales de diseño.

II. PROPIEDADES: físicas: Son propiedades relacionadas con el tipo de material a utilizar y las características constructivas de los mismos. 1. granulometría (propiedades iníciales de los suelos) CURSO: PAVIMENTOS



2. clasificación de los suelos 3. relación humedad-densidad. Ingenieriles: Dan una estimación de la calidad de los materiales para las vías. 1. módulo resiliente. 2. módulo de poisson. 3. valor de soporte del suelo 4. módulo de reacción de subrasante (K).

III. CLASIFICACION DE SUELOS: Es el ordenamiento de los tipos de suelos, en grupos que tienen propiedades semejantes. El propósito es facilitar las actitudes de un suelo por compactación, con otros de la misma clase cuyas propiedades se conocen. Los sistemas de clasificación de los suelos están divididos en dos sistemas, el AASHTO y SUCS, refiriéndose el primer sistema para suelos cuyo uso está referido a la construcción de vías y el segundo referido a suelos de cimentación. Suelos granulares: tienen 35% o menos del material fino que paso por el tamiz Nº 200. Suelos finos: son suelos limo-arcillosos que contienen más del 35% que pasa por el tamiz Nº 200. La evaluación de los suelos dentro de cada grupo se hace por medio del índice de grupo: 





IG = (F – 35) (0.2 + 0.005 (LL – 40) + 0.01 (F – 15) (IP – 10 ) Donde: IG: índice de grupo. F: % del suelo que pasa por el tamiz Nº 200 expresado en enteros. LL: limite líquido. IP: índice de plasticidad.

IV. CBR DE LA SUBRASANTE: Son estudiados para la determinación de la CBR de la subrasante, las capas superficiales de terreno natural o capa de la plataforma en relleno, constituida por los últimos 1.50 m de espesor debajo del nivel de la subrasante proyectada, salvo que los planos del proyecto o las especificaciones CURSO: PAVIMENTOS



especiales indiquen un espesor diferente; su capacidad de soporte en condiciones de servicio, junto con el tránsito y las características de los materiales de construcción de la superficie de rodadura, constituyen las variables básicas para el diseño de la estructura del pavimento que se colocará encima. La subrasante correspondiente al fondo de las excavaciones en terreno natural o de la última capa, será clasificada en función al CBR representativo para diseño, en una de las cinco categorías siguientes: CLASIFICACION

CBRdiseño

So: Subrasante muy pobre S1: Subrasante pobre S2: Subrasante regular S3: Subrasante buena S4: Subrasante muy buena

V.

< 3% 3% - 5% 6% - 10% 11% - 19% > 20%

PROPIEDADES FUNDAMENTALES A TOMAR EN CUENTA: a) Granulometría:

De acuerdo al tamaño de las partículas de suelo, se definen los siguientes términos: TIPO DE MATERIAL Grava

TAMAÑO DE LAS PARTICULAS

Arena Limo

75 mm - 2 mm Arena gruesa: 2 mm - 0.2 mm Arena fina: 0.2 mm - 0.05 mm 0.05 mm - 0.005 mm

Arcilla

Menor a 0.005 mm

b) La plasticidad de un suelo:

Depende no de los elementos gruesos que contiene, sino únicamente de sus elementos finos. El análisis granulométrico no permite apreciar esta característica, por lo que es necesario determinar los límites de Atterberg. Estos límites, llamados límites de Atterberg, son: el límite líquido (LL), el límite plástico (LP) y el límite de contracción (LC). Además del LL y del LP, una característica a obtener es el índice de plasticidad IP que se define como la diferencia entre LL y LP: IP = LL – LP INDICE DE PLATICIDAD

CARACTERISTICAS

IP > 20 20 > IP > 10 10 > IP > 4

Suelos muy arcillosos Suelos arcillosos Suelos poco arcillosos

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FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL IP = 0

Suelos exentos de arcilla

Nota: Se debe tener en cuenta que, en un suelo el contenido de arcilla, es el elemento más peligroso de una pavimentación, debido sobre todo a su gran sensibilidad al agua.

c) Índice de grupo.-

Es un índice adoptado por AASHTO de uso corriente para clasificar suelos, está basado en gran parte en los límites de Atterberg. El índice de grupo de un suelo se define mediante la fórmula: IG = 0.2 (a) + 0.005 (ac) + 0.01 (bd) Donde: a = F-35 (F = Fracción del porcentaje que pasa el tamiz Nº 200 -74 micras). Expresado

por un número entero positivo comprendido entre 1 y 40. b = F-15 (F = Fracción del porcentaje que pasa el tamiz Nº 200 -74 micras). Expresado por un número entero positivo comprendido entre 1 y 40. c = LL – 40 (LL = límite líquido). Expresado por un número entero comprendido entre 0 y 20. d = IP-10 (IP = índice plástico). Expresado por un número entero comprendido entre 0 y 20 o más. El índice de grupo es un valor entero positivo, comprendido entre 0 y 20 o más. Cuando el IG calculado es negativo, se reporta como cero. Un índice cero significa un suelo muy bueno y un índice igual o mayor a 20, un suelo no utilizable para carreteras. INDICE DE GRUPO

CARACTERISTICAS

IG > 9

Muy pobre

IG está entre 4 a 9

Pobre

IG está entre 2 a 4

Regular

IG está entre 1 - 2

Bueno

IG está entre 0 - 1

Muy Pobre

d) Humedad natural:

Otra característica importante de los suelos es su humedad natural puesto que la resistencia de los suelos de subrasante, en especial de los finos, se encuentra directamente asociada con las condiciones de humedad y densidad que estos suelos presente.

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e) Ensayos CBR:

Una vez que se haya clasificado los suelos por el sistema AASHTO para pavimentos, se elabora un perfil estratigráfico para cada sector homogéneo o tramo en estudio, a partir del cual se determina los suelos que controlarán el diseño y se establece el programa de ensayos y/o correlaciones para establecer el CBR que es el valor soporte o resistencia del suelo, referido al 95% de la MDS (Máxima Densidad Seca) y a una penetración de carga de 2.54 mm. Determinación de la subrasante de diseño:

Diseño de Pavimentos Rígidos: Las capas que conforman el pavimento rígido son: subrasante, subbase, y losa o superficie de rodadura como se muestra en la Figura 3.1 I.

Figura 3.1. Capas del pavimento rígido.

Los elementos y funciones de un pavimento rígido son: Subrasante.- Es la capa de terreno de una carretera que soporta la estructura de pavimento y que se extiende hasta una profundidad que no afecte la carga de diseño que corresponde al tránsito previsto. Esta capa puede estar formada en corte o relleno y una vez compactada debe tener las secciones transversales y pendientes especificadas en los planos finales de diseño. Subbase.- Es la capa de la estructura de pavimento destinada fundamentalmente a soportar, transmitir y distribuir con uniformidad las cargas aplicadas a la superficie de rodadura de pavimento, de tal manera que la capa de subrasante la pueda soportar absorbiendo las variaciones inherentes a dicho suelo que puedan afectar a la subbase. La subbase debe controlar los cambios de volumen y elasticidad que serían dañinos para el pavimento. Losa (superficie de rodadura).- Es la capa superior de la estructura de pavimento, construida con concreto hidráulico, por lo que debido a su rigidez y alto módulo de elasticidad, basan su capacidad portante en la losa, más que en la capacidad de la subrasante, dado que no usan capa de base.

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II.

Procedimiento de diseño:

Para el diseño del pavimento rígido se seguirá el método AASTHO que se presenta a continuación: La fórmula general para el diseño de pavimentos rígidos está basada en los resultados obtenidos de la prueba AASHTO. La fórmula es la siguiente:

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El procedimiento de diseño normal es suponer un espesor de pavimento e iniciar a realizar tanteos, con el espesor supuesto calcular los ejes equivalentes y posteriormente evaluar todos los factores adicionales de diseño, si se cumple en equilibrio en la ecuación el espesor supuesto es resultado del problema, de lo contrario de debe de seguir haciendo tanteos. Las variables de diseño de un pavimento rígido son: a) Espesor. b) Serviciabilidad c) Tránsito d) Transferencia de carga e) Propiedades del concreto f) Resistencia a la subrasante g) Drenaje h) Confiabilidad

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a) Espesor El espesor del pavimento de concreto es la variable que se pretende determinar al realizar un diseño, el resultado del espesor se ve afectado por todas las demás variables que interviene en los cálculos. b) Serviciabilidad La serviciabilidad se define como la habilidad del pavimento de servir al tipo de tráfico (autos y camiones) que circulan en la vía, se mide en una escala del 0 al 5 en donde 0 (cero) significa una calificación para pavimento intransitable y 5 (cinco) para un pavimento excelente. La serviciabilidad es una medida subjetiva de la calificación del pavimento, sin embargo, la tendencia es poder definirla con parámetros medibles.

c)

Índice de servicio

Calificación

5 4 3 2 1 0

Excelente Muy bueno Bueno Regular Malo Intransitable

Tránsito

El tránsito es una de las variables más significativas del diseño del pavimento y sin embargo es una de las que más incertidumbre presenta al momento de estimarse. Es importante hacer notar que debemos contar con la información más precisa posible del tráfico para el diseño, ya que de no ser así podríamos tener diseños inseguros o con un grado importante de sobre diseño, debido a esto, en este trabajo se tratará de manera sencilla esta parte. Es importante investigar adecuadamente la tasa de crecimiento apropiada para el caso en particular que se esté considerando. A continuación, se presentan algunos valores típicos de tasas de crecimiento, sin embargo, estos pueden variar según el caso.

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El Factor de Crecimiento del Tráfico considera los años de vida útil más un número de años adicionales debidos al crecimiento propio de la vía.

Donde: g = tasa de crecimiento n= años de vida útil

d) Transferencia de carga También se conoce como coeficiente de transmisión de carga (J) y es la capacidad que tiene una losa del pavimento de transmitir las fuerzas cortantes con sus losas adyacentes, con el objetivo de minimizar las deformaciones y los esfuerzos en la estructura del pavimento. Mientras mejor sea la transferencia de cargas, mejor será el comportamiento de las losas del pavimento.

e) Propiedades del concreto Son dos las propiedades del concreto que influyen en el diseño y en su comportamiento a lo largo de su vida útil.  

Resistencia a la tensión por flexión o Módulo de Ruptura (MR) Módulo de elasticidad del concreto (Ec)

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f) Resistencia a la subrasante La resistencia a la subrasante se obtiene mediante el módulo de reacción del suelo (K) por medio de la prueba de placa. El módulo de reacción del suelo corresponde a la capacidad portante que tiene el terreno natural en donde se soportará el cuerpo del pavimento.

g) Drenaje En cualquier tipo de pavimento, el drenaje es un factor importante en el comportamiento de la estructura del pavimento a lo largo de su vida útil y por lo tanto en el diseño del mismo. Se puede evaluar mediante el coeficiente de drenaje (Cd) el cual depende de: 

Calidad del drenaje.

Viene determinado por el tiempo que tarda el agua infiltrada en ser evacuada de la estructura del pavimento 

Exposición a la saturación.

Porcentaje de tiempo durante el año en que un pavimento esta expuesto a niveles de humedad que se aproximan a la saturación. Este valor depende de la precipitación media anual y de las condiciones del drenaje.

h) CONFIABILIDAD Los factores estadísticos que influyen en el comportamiento de los pavimentos son:  

Confiabilidad R Desviación estándar

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Tramos de diseño: Para Diseño de Pavimentos, se requiere: Conocer las propiedades de los suelos que servirán como suelos de fundación y sub rasante, pudiendo ser naturales o artificiales (corte o relleno).

PASOS PARA ESTABLECER EL VALOR DE RESISTENCIA REPRESENTATIVO DEL TRAMO HOMOGÉNEO 1.-Investigar suelo de fundación. 2.-Ensayos de campo y laboratorio. 3.- Determinación de MR (Modulo Resilente) directa o indirectamente. 4.- Establecimiento de tramos homogéneos. 5.- Cálculo del MR, considerando la estratigrafía, rellenos y mejoramientos. 6.- Considerar efecto ambiental.

PROPIEDADES DEL MATERIAL DE INTERÉS EN EL PAVIMENTO DE DISEÑO: Propiedades físicas: • Densidad • Límites de consistencia • Granulometría • Contenido de agua

Propiedades de Rigidez: • Módulo de elasticidad

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FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL • Módulo Resilente • Coeficiente de Balasto • CBR

Propiedades hidráulicas y térmicas: • Coeficiente de expansión térmica. • Permeabilidad • Coeficientes de drenaje

Propiedades relacionadas con la deformabilidad: • Módulo de elasticidad • Coeficiente de compresibilidad

Mejoramiento de suelos:

Mejoramiento de suelos de subrasante: En este acápite se analiza y desarrolla de manera conceptual y práctica las necesidades de mejoramiento de materiales a lo largo del tramo en estudio. Para este fin es necesario, teniendo en cuenta que normalmente se especifica efectuar mejoramiento en suelos orgánicos, suelos blandos e inadecuados, revisar inicialmente la parte conceptual lo que se efectúa a continuación:

Suelos Orgánicos. - Son suelos fibrosos, orgánicos, turbosos, de compresibilidad muy alta que se designan con las siglas Pt (Peat). Estos materiales son de fácil identificación por su color, olor y otras características, como la blandura de suelo, que es propia de los bofedales, aguajales, pantanos, terrenos de cultivos, chacras etc. Como es obvio suponer, estos materiales tienen un bajo valor de soporte, o casi nulo, que representa el valor de la resistencia mecánica del suelo (CBR). Turba. - Se denomina turba cuando la materia orgánica tiene un contenido mineral muy reducido; tales depósitos se presentan sobre los materiales de limo y arcillas y con frecuencia son productos del llenado general de los lagos y cualquier corriente superficial o subterránea.

Suelos Blandos. - Son suelos cuyas propiedades físico-mecánicas han sido variados por agentes externos con lo cual se tornan inestables, de muy baja capacidad de soporte y que no son factibles de compactar debido a sus

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cambios de forma y volumen cuando se aplican fuerzas externas; en otros casos, cuando los suelos aumentan de volumen cuando son retiradas de ellos las presiones actuales y que raramente vuelven a su estado inicial.

Suelos Inadecuados. - Se define como suelos inadecuados, a los suelos orgánicos, turbas, suelos blandos y todo suelo que no cumpla con los requerimientos expresados en algunas Especificaciones Técnicas y en la versión de la AASHTO-93 del diseño del pavimento Para una adecuada calificación de los suelos de subrasante donde se requiera realizar el mejoramiento de la subrasante se tendrá en cuenta los siguientes aspectos físicos y mecánicos: 

Según las Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras (EG-2000), todo material de subrasante deberá tener como Índice de Plasticidad un valor menor a 11 %.



Los suelos con humedades mayores a la óptima no pueden ser compactados según métodos constructivos estándar considerados en las presentes Especificaciones del MTC-2000.



La calidad de la Subrasante es definida según la Clasificación de Suelos AASHTO de amplio uso internacional.



Los Suelos pueden ser evaluados de acuerdo a las tablas de Terzaghi y Casagrande en función al material pasante en la malla de 0.02mm. también de amplio conocimiento internacional, por la susceptibilidad al congelamiento.



Con relación a la materia orgánica, las normas AASHTO y ASTM de identificación de suelos, para este caso solo indican procedimientos visuales o cualitativos sobre la base del color y olor. Se puede complementarse con pruebas de laboratorio como se procede en muchos casos.



Empleo del índice de Consistencia que se define como una relación entre el Límite Líquido, la Humedad Natural y el Índice Plástico del material permitiendo así de calificar el suelo en diferentes estados entre el sólido y el líquido.

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BIBLIOGRAFIA GENERAL

1.

AASHTO, “Guía para el Diseño de Estructuras de Pavimentos”, 1993.

2.

American Concrete Pavement Association (acpa), “Boletín Técnico - Subgrades and Subbases

for Concrete Pavements”.

3.

American Concrete Pavement Association (acpa), “Boletín Técnico - Pavement Rehabilitation Strategy Selection”.

4. Chang C, Freeman T (2007). Implementación de la Guía de Diseño Mecanístico de 5. 6.

Pavimentos NCHRP 1-37A en Texas. EEUU. Administración Boliviana de Carreteras (2009). Manuales Técnicos para el Diseño de Carreteras. Bolivia. 15. Ministerio de Transportes y Comunicaciones (2000). Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG 2000. Perú.

7. Wikipedia, la enciclopedia libre (2011). www.wikipedia.org/wiki/Perú Asociación Española de la Carretera: www.aecarretera.com Asociación Mejicana del Asfalto: www.amaac.org.mx Comisión Permanente del Asfalto - argentina: www.cpasfalto.org Instituto Chileno del Asfalto: www.ichasfalto.com Instituto Brasileño de Petróleo: www.ibp.org.br Ministerio de Transportes y Comunicaciones: www.mtc.gob.pe

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