ESTUDIO TECNICO DE LA
SUBRASANTE.
Las solicitaciones a las que se encuentran sometidas las cimentación de
una estructura de pavimento son específicas y muy diferentes a las que
tiene que soportar un suelo como cimiento de otra estructura cualquiera.
Por lo tanto se hace necesario la programación de una serie de estudios
de campo y de laboratorio, inspecciones y recorridos a la zona de proyecto, evaluar
y analizar dicha información con el fin de establecer una serie de
normas de tipo geotécnico alas cuales se debe ceñir el proyecto y
el procedimiento constructivo. Loas aspectos anteriormente mencionados hacen
parte de lo que comúnmente se conoce con el nombre de estudio
geotécnico, mediante el cual se pone a disposición del Ingeniero
proyectista, la información acerca del proyecto de fundación del
pavimento, los diferentes tipos de materiales que se pueden utilizar para la
construcción de las distintas capas de la estructura, los posibles
métodos de mejoramiento o estabilización, el procedimiento
constructivo mas acorde con los recursos disponibles de la
región, etc
2.1.-DEFINICION DE SUBRASANTE.
Existen diversas definiciones de subrasante en una estructura de pavimentos,
entre ellas las mas conocidas son.
+ La subrasante es la parte de la corteza terrestre que sirve de cimiento para
una estructura de pavimento.
+ La subrasante es el terreno que conforma la superficie final de la
explanación de una vía.
+ La subrasante comprende por lo general los últimos 50cm del relleno o del
corte proveniente del movimiento de tierras,
que sirve de soporte a toda estructura del
pavimento.
2.2-FUNCIONES DE LA SUBRASANTE.
Se pueden nombrar lassiguientes funciones que debe cumplir una subrasante,
independientemente del
tipo de pavimento, estas son
2.2.1.-RESISTENCIA.
Debe ser resistente a los esfuerzos y deformaciones producidas por el
transito y el intemperismo, proporcionando un
valor de soporte mínimo a la estructura de pavimento en tal forma que
limite las deflexiones a los valores tolerables. Las deflexiones causadas por
una subrasante comprende entre un 70% y un 90% de la
deflexión total de la estructura.
2.2.2.-TERRENO DE FUNDFACION PROPIAMENTE DICHA.
Debe proporcionar un soporte continuo, sin
asentamientos significativos, ni diferenciales, evitando que se presente flujos
de tipo plastico o desplazamiento lateral que atente contra la
estabilidad de toda la estructura.
Entre las cualidades de una subrasante, que generalmente son deseables por los
ingenieros de vías , se tienen las siguientes.
- Una alta resistencia.
- Permanencia de la resistencia
por lo menos durante la vida útil del
pavimento.
- Una buena uniformidad en todas las direcciones.
- Una alta densidad.
- Poco susceptibles a los cambios volumétricos.
- Poco susceptibles a la acción del agua.
- Buena trabajabilidad durante el proceso de
compactación.
- Permanencia de las propiedades inducidas mediante la compactación.
-
2.3.-TIPOS DE TERRENO DE FUNDACIÓN.
De manera muy general, los terrenos en que se cimentara una estructura
de pavimento, se puede clasificar en
2.3.1.-ROCA.
2.3.2.-SUELO.
2.3.1.-LA ROCA COMO
SUBRASANTE.
En la mayoría de los casos, la roca no plantea
problemas como terreno de fundación ya
que la estructura de pavimento le comunica esfuerzos de bajaintensidad en
relación a su resistencia.
Las propiedades de la roca como
terreno de fundación varían entre límites muy amplios
Nos interesa el desgaste bajo la acción de los agentes mecanicos,
que sean resistentes a los agentes atmosféricos y sean medianamente
trabajables por medio de maquinaria o explosivos.
Las rocas se clasifican
- Rocas Ígneas.
- Rocas Sedimentarias.
- Rocas Metamórficas.
2.3.1.1 LAS ROCAS IGNEAS.- Tienen su origen en el enfriamiento
y cristalización del
MAGMA. Son rocas que inicialmente estan sanas, pero
luego son atacadas por la acción química de los agentes
atmosféricos. El costo de la excavación es elevado, por su
alta dureza permite la construcción de taludes
casi verticales. Para eliminar las irregularidades es necesario colocar una capa de
suelo suprayacente (SUBRASANTE).
2.3.1.2 LAS ROCAS SEDIMENTARIAS.-Estan
formadas por materioales producto de la desintegración de otras rocas
que al ser arrastradas por los agentes de transporte y bajo la acción del intemperismo, se
depositan en una zona determinada, consolidandose posteriormente.
El costo de la excavación es menor por su menor dureza; en este grupo abundan las rocas deleznables, especialmente la
de estructura aglomerada.
Las rocas sedimentarias sanas permiten, por lo general,
taludes muy próximos a la vertical.
Las lutitas y las margas suelen ser faciles de excavar; frecuentemente
son rocas poco estables ante el agua; también, al igual que los yesos,
pueden ser expansivas al absorber agua, lo que las hace peligrosas en cortes y rellenos.
2.3.1.3.-LAS ROCAS METAMORFICAS Son rocas
sedimentarias o ígneas transformadas por procesos
geológicosñeque intervienen grandes presiones y altas
temperaturas. Son faciles de excavar y muchas veces no se requiere el uso de explosivos. Las rocas metamórficas rompen a lo largo de los planas de foliación, los cuales son
muy marcados en la mayoría de los casos. Como producto final de su desintegración y descompoción,
producen, en tiempos inferiores a los de la vida útil de la vía,
arcillas muy inestables.
2.3.2.-LOS SUELOS COMO
SUBRASANTE.
Este tipo de subrasante se puede dividir en dos grades grupos, a saber
- Subrasantes constituidas por suelos friccionante.
- Subrasante constituidas por limos plasticos y arcillas.
2.3.2.1.-SUBRASANTE CONSTITUIDAS POR SUELOS FRICCIONANTES
Los suelos friccionantes, tales como:
gravas, arenas y limos no plasticos; constituyen generalmente un
excelente terreno de fundación, con capacidad de carga suficiente y sin
problemas de asentamiento de importancia.
Algunos problemas que se pueden presentar con estos suelos, estan
ligados al flujo de agua a través de ellos y su grado de compacidad;
entre los mas frecuentes se pueden nombrar:
• Colapso rapido de la estructura.- Se presentan en las arenas y
limos muy sueltos, los cuales presentan problemas de asentamiento brusco por
colapso rapido de su estructura simple; este efecto, sin embargo, es
poco importante bajo rellenos, pues estos absorben los movimientos producidos
con facilidad; el efecto es mas importante cuando el terreno de
fundación soporta las estructuras rígidas que suelen construirse
en una vía terrestre.
• Tubificación Este fenómeno se
produce cuando el agua se filtra a través del suelo de cimentación con un
gradiente hidraulico superioral crítico, de modo que produce
arrastre de partículas. Este fenómeno aunque no es muy
común en la subrasante de vías terrestres, se presenta en
ocasiones cuando la estructura corta el drenaje superficial en una zona,
embalsandose el agua, de manera que alcance diferentes niveles en ambos
la dos del terraplén . Los suelos mas susceptibles este
fenómeno de la tubificación en los friccionantes permeables, sin
cementación de grano fino, con índice plastico menor a 10;
los suelos que ademas de cumplir los requisitos anteriores son ligeros ( arenas pumíticas) resultan particularmente
afectados por el flujo de agua.
• Licuación Las fuerzas producidas por
el flujo ascendente del
agua provocan, al vencer el peso de las partículas, efectos de
flotación que hacen que el suelo pierda total o casi totalmente su
capacidad de carga. El flujo de agua es lento comparado con la velocidad de
disipación de las altas presiones
intersticiales, disminuyendo los valores de resistencia al esfuerzo cortante hasta
valores nulos o muy próximos a ceros. Los suelos
friccionantes susceptibles a la licuación, son las arenas uniformes,
sueltas, finas y saturadas.
2.3.2.2.-SUBRASANTE CONSTITUIDAS POR LIMOS PLASTICOS Y ARCILLAS.-
En los terrenos de fundación constituidos por limos plasticos y
arcillas han de distinguirse dos casos diferentes, a saber
• Subrasantes constituidas por suelos de baja compresibilidad (CL, ML, OL
)
• Subrasantes constituidas por suelos de alta compresibilidad (CL, MH,
OH)
En el primer caso, no suelen presentarse problemas especiales qu4e repercutan
desfavorablemente en la estructura del pavimento. Los asentamientos son
absorbidos por laestructura y la resistencia
del terreno
de cimentación es suficiente para soportar a los terraplenes que hayan
de ser construidos.
Los suelos clasificados como
OL, pueden no ser apropiados para su uso como
cuerpo de terraplén, debido a su contenido de materia organica.
Los suelos plasticos de alta compresibilidad
que constituyen gran parte de terrenos de cimentación, esta asociados a
grandes problemas de falta de resistencia
y compresibilidad, a no ser que su contenido de agua sea permanentemente muy
bajo.
Esto terrenos blandos y compresibles suelen ser típicos de formaciones
fluviales ( deltas o llanuras deyección),
lacustre o marinas.
Atendiendo al problema de falta de resistencia, este es particularmente
crítico cuando los suelos que constituyen la fundación son
de naturaleza plastica (especialmente si son arcillosos) y se encuentran
normalmente consolidados, lo que puede reconocerse en el campo por sus
contenidos altos de humedad cercanos al límite líquido pues en
este caso independientemente de la denominación de suelo fino
plastico, sus condiciones de constitución hacen probable una baja
resistencia.
El problema mas grave que ocasionan los suelos finos de alta plasticidad
ews el asentamiento que se produce en ellos al aplicarle la sobrecarga de la
estructura vial, dichos asentamientos producen entre otros efectos los
siguientes:
• Perdida de bombeo
• Aparición de asentamientos diferenciales en el sentido
longitudinal.
• Disminución de la altura de un
terraplén.
2.3.3.-EL AGUA EN EL TERRENO DE CIMENTACIÓN.
Parte del agua que cae sobre el suelo de subrasante en el
lugar en que se construira una vía terrestre, escurre por
lasuperficie, parte se infiltra y parte se evapora.
El agua que corre sobre la superficie de terreno lo erosiona y mas
tarde, se incorpora a agua corriente superficial. El
agua que se infiltra a través del suelo, lo penetra hasta ser
detenida por una capa de suelo impermeable satura la zona superior a dicha capa
dando origen al nivel freatico.
Cuando el agua freatica aflora, da lugar a zonas pantanosas; si se
encuentra a relativa profundidad y el terreno so0bre ella
es fino, puede presentarse el fenómeno de ascensión capilar
llegando a perjudicar el pavimento o al terraplén. La variación
de los niveles de nivel freatico van a afectar las propiedades de los
suelos, los principales efectos son
• Al variar el contenido de humedad, varia la resistencia al esfuerzo
cortante, disminuyendo con el aumento de aquel, particularmente en suelos
arcillosos; la compresibilidad aumenta con el contenido de agua,
reflejandose en los asentamientos producidos en los terraplenes, en la
falla de estos, en la deformabilidad de la capa subrasante.
• Las variaciones en el nivel de agua freatica no son nunca
uniformes, produciéndose areas de diferentes propiedades en el
suelo de subrasante propiciando asentamientos diferenciales.
• En suelos de naturaleza expansiva los cambios en el contenido de agua
generan cambios de volumen perjudiciales.
• Al invadir el agua a el pavimento, pueden
producirse efectos destructivos en este, tales como la separación de la
película de asfalto de las partículas de agregado en bases
asfalticas o carpetas.
• El agua puede producir erosiones en la vía y en el terreno de
cimentación si se le deja correr superficialmentedurante tramos largos.
2.4.-PROCEDIEMTO A SEGUIR EN UN ESTUDIO GEOTÉCNICO DE
LA SUBRASANTE.
Para realizar una evaluación
geotécnica de la cimentación de una estructura de pavimento se
deben definir las siguientes actividades
2.4.1.-LOS TRABAJOS DE EXPLORACIÓN, RECOLECCION DE DATOS Y
PROGRAMACIÓN DE LOS ENSAYOS DE LABORATORUOO.
Al desarrollar la primera actividad, el ingeniero debe decidir sobre la forma
en que va a manejar el gran número de variables que se van a obtener
para luego convertirlas en variables de diseño, que le permitan
utilizarlas en un método seleccionado como parte de un proceso total. Como se dijo anteriormente, el diseño de un pavimento es diferente de el de otra estructura de
ingeniería, por una parte es una estructura que se apoya de una manera
de una subrasante y que se encuentra altamente influenciada por las acciones del clima. El pavimento
debe atravesar una multiplicación de depósitos de suelos, cada un con propiedades muy diferentes, lo que hacen que su
evaluación sea una tarea muy compleja que es necesario simplificar. La
manera mas racional y simple de realizar un estudio detallado de la subrasante,
con el propósito de poder evaluar su capacidad de soporte y obtener una
de las variables para el diseño de la estructura, consiste en la
definición y selección de unidades homogéneas las cuales
presentan características similares: litología, pedología,
drenaje, condiciones ambientales, topograficas, transito
esperado, materiales de construcción, etc.; siendo de una gran ayuda
para estos casos el uso de fotografía aéreas complementado por
una exploración bien programada.
Las unidades de diseño se deben determinar en lo posible,antes del
muestreo pero es muy frecuente hacerlo simultaneamente.
Una vez definidas las unidades de diseño deben efectuarse una serie de
trabajos que nos van a permitir determinar la distribución y las
propiedades físicas de cada una de ellas, dichos trabajos son
2.4.1.1- Clasificación geológica y geotécnicas.
2.4.1.2- Medida de la resistencia.
2.4.1.3- Estudio de las condiciones de drenaje.
2.4.1.4- Estudio de la estabilidad volumétrica.
2.4.1.5- Definir la posibilidad y medio de mejoramiento.
2.4.1.1- Clasificación geológica y geotécnicas La clasificación geológica y
geotécnica tiene como
objetivo la clasificación y conocimiento de todos y cada uno de los
estratos o capas que conforman la subrasante, para lo cual es necesario
realizar las siguientes actividades.
• Determinación del perfil de los suelos.
• Toma de muestras.
• Realización de laboratorio.
• Sección del suelo típico en a cada unidad de suelo.
• Estudio de los materiales provenientes de cortes
y préstamos.
Determinación del perfil de suelos.-El perfil del suelo se define como
una sección transversal vertical de todos los horizontes del suelo desde la
superficie hasta la rocas madre o basal. Para
definir el perfil de suelos es necesario realizar Sondeos (
ver fig. 01).
Como criterios
generales para definir el estacionamiento y la profundidad de los sondeos se
tienen
• Acudir a la experiencia que tenga en la realización de trabajos
similares, ya que es imposible la realización de un estudio detallado
que permita conocer el perfil en cada punto de terreno.
• La uniformidad del el suelo es factor que
permitira racionalizar el número de sondeos aprogramar.
• Importancia del proyecto.
En estudios de carreteras el estacionamiento entre sondeos
suele ser de 100-500m y la profundidad entre 1.20 y 1.50m bajo la subrasante
proyectada.
Loa datos que se esperan obtener son
• Espesor de las capas y su posición en sentido vertical.
• Identificación visual de los materiales, indicando su color y
consistencia.
• Posición del nivel de aguas freaticas.
Toma de muestras En cada sondeo se tomaran muestras
a diferentes profundidades con el propósito de poder determinar, las
humedades naturales del
suelo. Igualmente es necesario realizar pruebas manuales en
el campo que nos permitan identificar el tipo de suelo; en Subrasantes rocosas
es necesario estudiar los afloramientos y establecer en lo posible su
clasificación desde el punto de vista macroscópico y estructural.
Es necesario tener muy en cuenta que la humedad va a sufrir variaciones
importantes durante el año, por lo que su estudio nos permitira
• Definir con anterioridad el tratamiento que se le va a dar al suelo
durante la construcción.
• Estimar el comportamiento que tendra el suelo como subrasante de
un pavimento, para lo cual se debe tomar en cuenta que si la humedad natural
esta cerca del límite líquido es posible que estemos ante la
presencia de un suelo sensitivo que perdera gran parte de su resistencia
natural cuando sea alterado por la acción del equipo de movimiento de
tierra. Si por el contrario, la humedad natural es aproximadamente natural al
límite plastico durante cualquier
periodo estacional, se puede decir con cierta seguridad que el suelo presentara
un buen comportamiento como
subrasantede pavimento.
Un ensayo que nos ayude a definir el tratamiento que
se le dara al suelo durante el proceso de compactación es el de
densidad in situ.
El muestreo debe complementarse tomando muestras de diversos suelos para la
realización de ensayos de laboratorio correspondientes; las muestras
deben referenciarse y empacarse adecuadamente ya que ello debera en gran
parte, los resultados que se obtengan. El tamaño de las muestras a enviar al laboratorio debe seleccionarse de manera
racional, siendo el geotecnólogo el encargado de la realización
de estas actividades.
Realización de ensayos de laboratorio las
pruebas basicas de laboratorio seran realizadas por el
geotecnólogo e incluye entre otros los siguientes ensayos:
• Determinación de las humedades naturales, límite de
consistencia granulométrica. Con estos resultados es posible lograr la
clasificación del suelo de acuerdo a los
métodos convencionales.
• Determinación de la humedad óptima y la densidad
maxima de compactación para una energía dada, con la cual
se podra definir el grado de compactación de la subrasante,
así como también, la densidad y humedad de equilibrio.
• Realización de ensayos especiales; prever condiciones especiales
de comportamiento del
suelo, se puede realizar ensayos para la obtención de la formula de trabajo
en el proceso de estabilización copa algún proceso químico En el peor de los casos.
Los resultados de estos ensayos se consignaran en tablas que se presentaran en
graficos con el propósito de poder visualizar de una manera
objetiva e integral la información. La presentación debe ser
sencilla, clara y sistematizada , se deben emitir
lasrecomendaciones
de una manera escueta con el fin de que sean entendidas por otros profesionales
especializados en otras disciplinas.
Selección del suelo típico en cada unidad de diseño La selección se realiza mediante el
analisis y observación visual de los perfiles de suelos en cada
en cada unidad de diseño; para sui selección se tendra en
cuenta la continuidad tanto en sentido transversal como longitudinal y la
frecuencia con que se presenta a lo largo de esa unidad homogénea de
diseño.
Estudio de los materiales provenientes de cortes y prestamos
Se tomaran muestras de los cortes por realizarse en el proyecto, con el fin de
definirse si son aptos para la construcción de rellenos que necesite la
obra vial; ensayos de granulometría, plasticidad, humedad,
compactación, compresibilidad y resistencia,
nos dara bases necesarias para tal definición. Si son aptos se
reduciran los costos, sin no lo son, sera necesario la realización
se estudios adicionales para determinar las posibles zonas de
explotación del
material adecuado para la construcción de los rellenos ( zonas de préstamos).
2.4.1.2.-Medida de la resistencia Como
se mencionó anteriormente la solicitaciones a que se encuentran sometida
una subrasante son muy diferente de las que tienen que soportar un suelo como cimiento de otra
estructura civil.
En la practica, para determinar la resistencia de diseño de una subrasante
se utilizan ensayos sencillos que nos proporcionan índices relativos
sobre la capacidad de soporte del
suelo. Estos ensayos pueden, a simple vista, parecer muy
escuetos e incompletos para dimensionar la estructura de los pavimentos.
Los ensayos para determinar la resistencia de
lossuelos de subrasante se puede clasificar en dos grupos :
• Ensayos de resistencia
“in situ”.
• Ensayos de resistencia
en el laboratorio.
En los ensayos en situ se trabajan en las condiciones ambientales reales al que
el suelo se encuentra sometido: En loe ensayos de laboratorio se trabaja
regularmente con muestras de suelos alterados y adecuando el medio de tal manera que represente las condiciones probables que
tendra el suelo como
subrasante. En los resultados obtenidos en cada grupo de ensayos intervienen , de alguna manera, los d}efectos derivados de
la acumulación de cargas tales como
la fatiga, mientras que en otros se tienen en cuenta, empírica y
secundaria.
La subrasante por lo general y teniendo en cuenta un
buen dimencionamiento de las capas superiores, estara sometida a
repeticiones de carga de pequeñas magnitudes, que son inferiores a su resistencia al esfuerzo
cortante, por lo que por la forma de falla mas común es la debida
a la acumulación de deformaciones no recuperables.
Para medir la resistencia
de los suelos de subrasante nos auxiliamos en los APIQUES. El area
superficial de un apique sera el que permita trabajar cómodamente
a una presión, regularmente puede ser de 1.00 * 1.60 m , su profundidad
sera mínima de 1.50 m por debajo de la subrasante ( Fig. 2).
Para seleccionar los sitios donde se realizara un
apique, se debe basar en los perfiles estratigraficos deducidos en la
primera parte del
estudio, evaluando las condiciones de humedad y consistencia de los suelos. Se
deben llevar a cavo en los sitios que presten las condiciones favorables y las
condiciones críticas, determinando familias de suelos y
puntosexcepcionales, graficando los límites en una carta de plasticidad.
Se deben tomar muestras en cada apique con el fin de realizar las siguientes
determinaciones
• Humedad natural.
• Límite de consistencia.
• Ensayo de compactación.
• Gravedad específica.
• C.B.R. de laboratorio
En el campo se determinara
• Densidad de campo.
• C.B.R. de campo.
• C.B.R. tallado en situ.
• Ensayo de placa.
Es necesario anotar las ubicaciones exactas con abscisa y carril, del
sitio en donde se realizó el apique, de igual manera de se debe llevar
un registro completo de la perforación.
Es conveniente tener en cuenta que la mayoría de los ensayos de resistencia
son caros y demorados y por lo tanto no sera posible realizarlos con la
frecuencia requerida, por lo cual la experiencia y criterio profesional
seran prioridades en esta etapa de estudio de la subrasante.
Para medir la resistencia
de los suelos de sub.-rasante con el fin de diseñar un pavimento se han
desarrollado técnicas muy variadas, la gran mayoría de ellas son
estaticas o de aplicación lenta, en contra posición a las
cargas móviles del
transito.
Los métodos habituales de caracterización de Subrasantes se basan
en ensayos de fundamentación empírica: C.B.R., valor de soporte S
de AASTHO, valor R de California, entre otros; de fundamentación
analítica: determinación de módulos y leyes de fatiga, resistencia,
etc. Y los ensayos que tienen fundamentos de caracter mixto: ensayo de
placas, índice de grupo, clasificación de suelos, etc.
Entre los ensayos de resistencia mas comunes, podemos citar los
siguientes:
|PUEBAS IN SITU|PRUEBAS DE LABORATORIO |
|Pruebas de Placa |C.B.R de Laboratorio |
|C.B.R de Campo |Estabilómetro de Hveem |
|Ensayos vibratorios |Pruebas Triaxiales |
En los ensayos modernos de pavimentos flexibles se esta utilizando el
modulo resilente o dinamico de la subrasante, sin dejar a un lado los
convencionales que utilizan los ensayos C.B.R. y el de placa, este último
utilizado para la obtención del módulo de reacción de la
subrasante, parametro necesario para el diseño de pavimentos
rígidos..
2.4.1.2.-EL ENSAYO C.B.R. (California Bearing Ratio
El valor de C.B.R. de un suelo es el parametro de caracterización
mas utilizado en la tecnología de dimencionamientos de la
estructura de pavimento.
Este índice fue propuesto en el año de 1929 por los ingenieros
T.E. Stanton y O.J. Porter, el Departamento de Carreteras de California.
Desde esa época a nivel mundial sea generalizado su uso en la
caracterización de la resistencia de los suelos de subrasante,
sub.-bases granulares, valor que se utilizara posteriormente en el
dimencionamiento de la estructura de pavimentos.
El C.B.R. establece una relación entre la resistencia a la
penetración de un suelo y su capacidad de soporte como base de
sustentación para el diseño de pavimentos flexibles, a pesar de
ser un método netamente empírico, esta sustentado por numerosos
trabajos deinvestigación llevados a cabo en los laboratorios con soporte
en el campo, lo cual permite considerar como uno de los mejores
parametros practicos conocidos hasta el día de hoy.
Existe muchas correlaciones de este índice con
otros parametros característicos, tales como
los módulos de elasticidad estaticos y dinamicos del suelo, algunas de
ellas se enuncian a continuación.
Módulo de elasticidad estatico de la subrasante E.
E(Mpa)= 6.5x (C.B.R.)0.65
Módulo de elasticidad dinamico de la subrasante Ed.
Ed(Mpa)= 10 C.B.R.
El C.B.R. es una medida comparativa de la resistencia al corte de un suelo o
material granular que se puede definir como la relación porcentual entre
la carga unitaria requerida para penetrar un pistón normalizado dentro
de la muestra de material y la carga unitaria requerida para penetrar el mismo
pistón y a la misma profundidad de una muestra patrón de piedra
triturada, es decir:
C.B.R.= Esfuerzo en suelo ensayado / esfuerzo en suelo patrón *100
Las penetraciones y esfuerzos normalizados para el material patrón, se
muestra en la tabla 1
TABLA1.ESFUERZOS NORMALIZADOS EN UN SUELO PATRON
|PENETRACIÓN PULGAGDA |CARGA UNITARIA (PSI) |
|0.1 |1.000 |
|0.2 |1.500 |
|0.3 |1.900 ||0.4 |2.300 |
|0.5 |2.600 |
El C.B.R. se determina para 0.1 y 0.2 de penetración, eligiéndose
el mayor como el mas representativo.
2.4.1.2.2 La prueba de Placas.
Este ensayo cuantifica la capacidad de soporte de la
subrasante, sub. Bases, bases, y estructuras de pavimentos, mediante el
coeficiente de balasto, módulo de reacción de la subrasante o
módulo de Westergaard K, el cual se define como la
relación entre la presión que se transmite a una placa para que
se produzca una deformación prefijada.
K = PRESION / DEFORMACIÓN
La prueba consiste en cargar una placa circular en el suelo a
ensayar y registrar las deformaciones que se producen. El
suelo que necesite mas carga para sufrir una misma deformación,
tendra mayor valor de K. El método se basa en la hipótesis
de que existe una proporcionalidad entre la presión aplicada y la
deflexión (esto es cierto para deformaciones pequeñas).
La placa utilizada en carreteras tiene un
diametro de 12 plg. (deformación de 0.2)
mientras que el diametro de la placa utilizada en aeropuertos es de 30
plg. (deformación de 0.5).De acuerdo a la
expresión, las unidades mas utilizadas son Kg/cm2 o Lb/pg2/pg.
Los mayores valores se encuentran en las gravas arenosas bien graduadas y son del orden de 15
Kg/cm2/cm, el menor valor se da a los suelos CH en donde K=1.5 Kg/cm2/cm
aproximadamente.
El módulo de reacción de la subrasante tiene su aplicación
en el dimencionamiento depavimentos rígidos, Debido a lo dispendioso y
costoso para realizar un ensayo de placa, muchas veces es necesario
determinarla mediante su correlación con el C.B.R., según se
muestra en la figura 3
2.4.1.2.3 Módulo Resilente (Mr)
Los métodos de diseño actuales emplean el valor de los
módulos de elasticidad E de los materiales, por ser el resultado de una
serie de ensayos fundamentales científicos en sustitución del
ensayo del C.B.R..
El módulo de elasticidad de los materiales normalmente empleados en la
construcción de subrasantes naturales y/o mejoradas ,
se denomina Módulo Resilente (Mr), el cual es el resultado de un ensayo
de tipo dinamico. Se define como la relación entre los
esfuerzos principales y deformación axial recuperable. El ensayo se
realiza en una celda triaxial equipada con sistemas capaces de trasmitir cargas
repetidas a una briqueta de ensayo de dimensiones especificas. La briqueta de
ensayo tiene generalmente 10cm de diametro por 20 cm de altura.
Mr = (d / (a
(1,(2,(3, Esfuerzos Principales
(d = ((1
(1
(3
(2
Debido a la carencia de los equipos especializadores para determinar el
módulo resilente, es posible la utilización de correlaciones en
el C.B.R. Algunas de ellas se muestran en la figura 4 . Es de anotar que tanto
la ecuación WES como la ecuación SHELL solo
son validas para valores de C.B.R. menores a 10.
El módulo de elasticidad en las sub-bases y bases granulares se denomina
Módulo de elasticidad dinamica E, y puede calcularse mediante la ecuación general :
Esub-base = K1 (K²
El valor del
coeficiente k1,es función de estadode humedad de material .
K1 = 7000 si el material esta seco
K1 = 5400 cuando esta húmedo
K1 = 4600 cuando esta saturado
En la tabla 2 se muestran los valores de(, que son
función del espesor esperado de la capa
de rodadura asfaltica en la estructura del pavimento.
Tabla 2. Determinación Del Valor De ( Par Sub-Bases
|ESPESOR DE LA CAPADE RODADURA (CM) |( |
|(5.0 |10.0 |
|5-0 |7.5 |
|(10 |5.0 |
Nota. Estos valores son validos para espesores de
sub-base entre 15 y 30 cm.
El módulo de las bases granulares de denomina igualmente Módulo
de elasticidad Dinamico E, y se define según la ecuación
que se muestra a continuación:
Ebase = (((K²
El valor de K1 es función de la humedad del material base y varía
de 9000 en estado seco, 8000 cuando esta humedo y 3200 cuando se encuentra
saturado. Por su parte el valor mas frecuente de K2 varía entre 0.50 y 0.70.
Tabla 3. Valores De ( En
Materiales De Base Granular
|ESPESOR DE CAPA ASFÄLTICA
Mr DE LA SUBRASANTE |
|Cm |3000 |7500 |15000|
|(5.0 |20 |25 |30 |
|5-10 |10.0 |5 |20 |
|10-15 |5 |10 |15 |
|( |5.0 |5 |5 |
Los valores del módulo de elasticidad en las bases y en las sub-bases
aumentan a medida que se incrementa su densidad, el grado de trituración
de sus partículas y disminuye el grado de saturación.
2.4.1.3Estudio de las condiciones De Drenaje.
Las condiciones de drenaje ya sean buenas o malas que
se presentan en la sub-rasante, son fundamentales para la estabilidad de la
vía, ya que van a controlar el buen o mal manejo de la estructura de un
pavimento. Los problemas de drenaje superficial o sub-drenaje
(subterraneo) so de gran importancia en la construcción de
carreteras; y se van a reflejar en los siguientes aspectos
• Duración de la estructura de pavimento
• Funcionamiento de otras estructuras
• Costos de conservación
• Disminución de la resistencia de la subrasante
• Contribuye a la licuación, expansión y
tubificación de los suelos susceptibles de sufrir estos
fenómenos.
• Afecta las propiedades físicas y químicas de la
estructura de pavimento
• Disminuye el valor K de la sub-rasante ya que hay un aumento en la
deformación
• Dificulta la conservación y el proceso constructivo de
lavía
Una solución practica es la de dar al agua el mejor trato posible
abundandole una circulación cómoda para ella y segura para
la estabilidad de la vía. Esto se logra mediante la construcción
de económicos y practicos sistemas de drenaje, entre los mas conocidos
se tienen los siguientes:
DRENAJE SUPERFICIAL
• Pendiente transversal o bombeo
• Cunetas
• Bordillos
• Rondas o zanjas de coronación o contracunctas alcantarillas
• Las guarniciones los lavaderos
• Bajadas
• Bermas
• El uso apropiado de vegetación
• Canales interceptores
EL SUB.DRENAJE
• Filtros o sub-drenes
• Drenes horizontales
• Capas rompedoras de capilaridad
• Pozos verticales
• Galerías filtrantes
• Trincheras estabilizadoras
• Bases o sub-bases permeables
Otra solución propuesta es la de trabajar con valores de resistencia
obtenidos en ensayos de laboratorio sobre muestras sometidas a condiciones
extremas, como por ejemplo, saturar el especimen y rnedir su resistencia a la
penetración, esta solución de ninguna manera implica descuidar o
eliminar el drenaje en la vía pues no es lo mismo el efecto
estatico del agua, al efecto producido cuando fluye en la estructura.
2.4.1.4 Estudio De La Estabilidad Volumétrica De La
Subrasante.
Cuando se utiliza como material de subrasante suelos arcillosos o suelos con
importante contenido de arcilla se van a presentar frecuentemente problemas de
expansión, que van a repercutir en el comportamiento de la estructura.
1. Principales efectos que sufre un suelo expansivo.
Entre los principales efectos que produce un suelo expansivo en una estructura
depavimento, se tienen
• Contracción por secado.
• Expansión por humedecimiento.
• Desarrollo de presiones de expansión en los su4os confinados en
que se restringe la expansión.
• Disminución de la resistencia
al esfuerzo cortante y de la capacidad de carga como consecuencia de la expansión.
1
2.4.1.4.2Daños producidos en un pavimento por
los suelos expansivos.
Los efectos que sufre un suelo expansivo pueden presentarse de manera
simultanea, afectando la estabilidad de toda la estructura de pavimento;
entre los principales daños causados se encuentran los siguientes
• Levantamientos o hundimientos de la superficie de rodamiento que se
traducen en desigualdades e irregularidades, aunque no se produzcan
agrietamientos u otros daños.
• Agrietamiento longitudinal.
• Deformaciones localizadas, generalmente en las alcantarillas y que van
acompañadas
• de agrietamientos.
• Agrietamiento generalizado en la carpeta (piel de cocodrilo con
baches).
2.4.1.4.3 Evaluación de los efectos de un suelo
potencialmente expansivo.
Cualquier intento que se haga ya sea en el laboratorio o en el campo, para
tener en cuenta la presencia de un suelo expansivo en el comportamiento de una
estructura de pavimento, debe partir de ciertas condiciones iniciales, como son
• La estimación racional de las condiciones de humedad en el
momento de la construcción.
• La estimación de la consistencia, límite de
contracción, así como otras propiedades que pueda
tener en el momento de la construcción.
• Estimación de los cambios en el contenidode agua que van a ocurrir durante la vida útil de la estructura vial.
• El establecimiento de técnicas sencillas para clasificar los
sti4os finos, ya sea en el campo o en el laboratorio y así poder
detectar su potencial efecto expansivo.
4. Criterios para identificar suelos expansivos.
Los criterios que se siguen actualmente para la identificación de suelos
finos de características expansivas, son
• Actividad de la arcilla ( Skempton).
• Grado de expansión de la Bureau Reclamation de los E.U.A. (Holtz
y Gibbs).
• Criterio de Medowell
• Criterio de Seed
• Criterio de lambel
Criterio de SKEMPTON.
El señor Skempton propuso un criterio de clasificación de suelos
expansivos teniendo en cuenta la actividad de la arcilla, ver tabla 4
Tabla4 CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS FINOS SEGÚN SU TENDENCIA A LA
EXPANSION
| ACTIVIDAD | CATEGORIA DEL SUELO |
|Menor que 0,75 |Suelo Inactivo |
| 0,75 – 1.25 |Suelo Normal |
|Mayor que 1.25 |Suelo Activo |
Teniendo en cuenta la clasificación anterior es posible afirmar que las
arcillas caoliníticas
Son inactivas, mientras que las illitas normales y las montmorillonitas son
arcillas activas.
Criterio de la Bureau Reclamation de losE.U.A.
El criterio se basa en la intensidad del
potencial de expansión de las arcillas, medio mediante el grado de
expansión definido este como;
el porcentaje de expansión de una muestra de suelo secada al aire y
colocada después en un cosolidómetro, sumergida en agua y
sometida a una presión vertical de 0.07 kg/cm².
Ademas el criterio anterior, es posible definir el potencial de
expansión mediante otras características de las arcillas
facilmente medibles, tales como: límite de
contracción, él
Índice de plasticidad, el porcentaje de partículas menores de 1
micra y la expansión libre entre otras.
En la tabla 5 se resumen las principales características que tiene en
cuenta este criterio.
Tabla 5. Clasificación De Suelos Expansivos
Según la Bureau Of Reclamation De Los E.U.A (Holtz y Gibbs)
|POTENCIAL DE EXPANSIÓN |EXPANSIÓN EN CONSOLIDOMETRO BAJO
PRESIÓN |PARTICULAS MENORES QUE
VERTICAL DE 0.07KG/CM² |LC |IP |UNA Micra (%) |E.LIBRE |
|(%) |(%) (%) |
|MUY ALTO |> 30 |< 10 |>32 |>37 |>100 |
|ALTO |20-30 |6-12 |23-45 |18-37 |>100 |
|MEDIO |10-20 |8-18 |12-34 |12-27 |50-100 |
|BAJO |13 |
