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OAXACA DE JUÁREZ, OAXACA MAYO 2015
TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO
Instituto Tecnológico de Oaxaca
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA
PAVIMENTOS FLEXIBLES
PRESENTA:
C. SALVADOR PÉREZ GARCÍA
PARA EL PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN
INGENIERÍA CIVIL
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN.........................................................1
1.1. Planteamiento del problema....................................................1
1.2. Justificación.............................................................................2
1.3. Objetivo.....................................................................................2
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO.....................................................3
2.1. Introducción a los pavimentos................................................3
2.1.1. Aspectos generales................................................................................3
2.1.2. Consideraciones generales de pavimentos...........................................4
2.1.2.1. Definición y variables.......................................................................4
2.1.2.2. Características de un pavimento.....................................................5
2.1.2.3. Clasificación de los pavimentos.......................................................5
2.1.3. Tipos de pavimentos..............................................................................7
2.1.4. Vías para revisar estudios de diseño de pavimentos...........................11
2.2. Diseño de pavimentos flexibles............................................12
2.2.1. Método ASSHTO 1993- ecuación guía................................................12
2.2.1.1. Variables a considerar...................................................................13
2.2.2. Determinación de los espesores..........................................................13
2.2.3. Determinación del número estructural.................................................15
2.2.4. Método TRL según ORN 31.................................................................15
2.2.4.1. Antecedentes del método..............................................................15
2.2.5. Metodología de diseño.........................................................................16
2.2.6. Descripción de los pasos.....................................................................17
2.2.7. Catálogos de diseño............................................................................17
2.3. Descripción de métodos usuales de diseño........................18
2.3.1. Método del Instituto de Ingeniería de la UNAM....................................18
2.3.2. Método de Diseño Español MOPU - Secciones de Pavimento............28
2.3.2.1. Tránsito..........................................................................................28
2.3.2.2. Subrasante....................................................................................30
2.3.2.3. Materiales para capas superiores..................................................31
2.3.3. Método de Diseño del Instituto del Asfalto de los EUA........................31
2.3.3.1. Estimación del tránsito...................................................................32
2.3.3.2. Evaluación de materiales...............................................................33
2.3.3.3. Cálculo de espesores de diseño....................................................34
2.3.4. Método de la AASHTO para el diseño de la sección estructural de los
Pavimentos....................................................................................................34
BIBLIOGRAFÍA..............................................................................36
ANEXOS.........................................................................................37
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Criterios para establecer procedimientos y lista de revisión.. .3
Figura 2. Sección de un pavimento flexible....................................................6
Figura 3. Sección de un pavimento semi-rígido.............................................6
Figura 4. Sección de un pavimento rígido......................................................6
Figura 5. Sección de un pavimento articulado o adoquinado.......................7
Figura 6. Estructura de un pavimento flexible................................................8
Figura 7. Estructura de pavimento rígido.......................................................9
Figura 8. Estudios de diseño de pavimentos...............................................11
Figura 9. Espesores del suelo........................................................................14
Figura 10. Definición de capas de pavimento...............................................16
Figura 11.Relacion peso volumétrico seco – contenido de agua – para
suelo arcilloso.................................................................................................24
Figura 12. Gráfica para diseño estructural de carreteras con Pavimento
flexible..............................................................................................................26
Figura 13. Gráfica para diseño estructural de carreteras con pavimento
flexible..............................................................................................................27
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Valor relativo de soporte crítico estimado para pavimentos, de
subrasantes compactadas 95% del volumétrico seco máximo proctor….19
Tabla 2.Ejemplo de composición vehicular con porcentajes de cargados y
vacíos………………………………………………………………………………… 20
Tabla 3. Cálculo del tránsito equivalente acumulado (σl)………………….. 25
Tabla 4. Categorías de tránsito pesado………………………………………...29
Tabla 5. Materiales utilizables en subrasantes………………………………..30
Tabla 6. Tasa Anual De Crecimiento Del Tránsito…………………………… 32
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN
Un pavimento debe ser diseñado de tal manera que las cargas impuestas por el
tránsito no generen deformaciones permanentes excesivas. En el caso de los
pavimentos flexibles, estas deformaciones se producen en cada una de las capas.
1.1. Planteamiento del problema
Los pavimentos se dividen en rígidos y flexibles. Sin embargo la rigidez o flexibilidad
que un pavimento exhibe no es fácil de definir tan adecuadamente como para permitir
una diferenciación entre uno y otro tipo de pavimento, el precisar que tan rígido puede
ser un pavimento flexible o que tan flexible puede llegar a ser un pavimento rígido.
Los pavimentos se diferencian y definen en términos de los materiales de que están
constituidos y de cómo se estructuran esos materiales y no por la forma en cómo
distribuyen los esfuerzos y las deformaciones producidas por los vehículos a las capas
inferiores.
Los pavimentos flexibles no son más que una carpeta asfáltica, la cual está
conformada por la base y sub-base y es diseñado para un determinado número de
repeticiones de carga y al alcanzar este número de repeticiones, se espera que el
pavimento falle, este fallo del pavimento podría ser con la presencia de fisuras y
grietas en la parte superficial. Se conocen los principales criterios que deben regir la
utilización de materiales de distinta naturaleza dentro de la estructuración general y la
influencia de las características geotécnicas de los materiales del conjunto. Se
proponen estrategias para la ordenación de las diferentes capas que configuran el
pavimento total.
Después se presentan los diseños de pavimentos flexibles, las ecuaciones utilizadas y
los parámetros a utilizar así como los espesores en el cual el tema se enfoca más al
diseño del Método ASSHTO 1993 y así logrando formar una metodología de diseño.
Y al final del trabajo se describen en forma relativamente detallada los 4 métodos de
diseño más utilizados en México; a saber, el método propuesto por el Instituto de
Ingeniería de la UNAM, el del Catálogo Técnico de uso en España, el propuesto por el
Instituto Norteamericano del Asfalto y, finalmente, el propuesto por la AASHTO.
Cabe mencionar que no existe en la actualidad un método de análisis y diseño de
pavimentos flexibles que esté basado en teorías propias y coherentes.
1
1.2. Justificación
Las vías de comunicación son base del desarrollo del país, para ser capaces de
competir en el desarrollo económico y para mejorar la calidad de vida de sus
habitantes. Son un factor determinante para abatir la discriminación geográfica y social
y tener una expansión económica y social sostenible.
En la infraestructura del transporte, en México las vías de comunicación terrestre y en
particular las carreteras, constituyen un factor básico para posibilitar la competitividad.
Su calidad requiere de un diseño y mantenimiento adecuados, ya que el pavimento
tiende a degradarse por el uso y por el clima.
La gente quiere vialidades seguras con mejor visibilidad, manejo confortable del
vehículo con mejores condiciones de frenado, además de vialidades de calidad,
confiable y con un bajo costo de operación. Se requiere vialidades duraderas con una
mayor vida útil de alta resistencia al desgaste que necesiten menor mantenimiento.
El pavimento flexible se refiere a un pavimento con una superficie de rodamiento que
tiene una capa deformable. Generalmente son de concreto asfáltico, y su vida útil es
mucho menor a la de un pavimento rígido. El concreto asfáltico está conformado como
la capa superior de la estructura de un pavimento asfáltico, formado por la mezcla
homogénea de materiales pétreos, polvo mineral, cemento asfáltico puro o rebajado y
aditivos. La carpeta de rodadura es una delgada capa superficial (ya se definió
anteriormente), la cual funciona de tal forma que no permite el paso de la humedad,
recibe las cargas verticales para transmitirlas al resto de la estructura y su rugosidad
permite un nivel de fricción necesario para evitar desplazamientos indeseados.
La capa de sub-base es simplemente utilizada como un adicional de la capa de base.
Es decir, se puede utilizar para reducir el ancho de la capa de la base, ya que su
utilidad es la misma, pero puede construirse con materiales de menor calidad. Usando
los métodos de diseño más convenientes, principalmente se utiliza para economizar el
proyecto. Sus funciones pueden ser las de economizar el proyecto y aislar la capa de
la base de la capa sub rasante.
1.3. Objetivo
Analizar el pavimento flexible y cada uno de sus métodos de diseño, de tal manera
que seamos sabedores la diferencia que tiene con los demás tipos de pavimento, esto
para lograr una mayor economía en el proyecto, así como durabilidad, vialidades
seguras y de calidad mediante los métodos de diseño señalados.
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
Se dará paso al proyecto de pavimentos flexibles, dando un repaso primero a los tipos
de pavimentos, luego viendo los métodos de diseño de los pavimentos flexibles para
terminar en la descripción de los métodos más usuales de diseño de estos.
2.1. Introducción a los pavimentos
Se conocerá una pequeña introducción a los pavimentos en general y observaremos
algunos de los tipos de pavimentos que hay, la lectura se enfocara más en pavimentos
flexibles, se revisaran vías de estudios de diseño de pavimentos.
2.1.1. Aspectos generales
El estudio y diseño de espesores de pavimento se puede revisar de varias maneras.
Las metodologías más utilizadas en nuestro medio para diseñar estos pavimentos, y
los diferentes instantes de la ejecución del estudio. Estos a su vez difieren por las
categorías de los proyectos. Los criterios para la revisión de los estudios tienen que
tomar en cuenta dos aspectos, el tipo de camino y la metodología para el diseño1:
1. El tipo de camino (clasificación funcional).
2. El tipo de proyecto: nuevo, mejoramiento, rehabilitación, reconstrucción.
3. El tipo de pavimento adecuado y conveniente y sus elementos.
4. Criterios y método de diseño empleado y las variables de diseño: tránsito,
materiales, clima, calidad material, calidad subrasante, etc.
5. La etapa del estudio que se quiera revisar: campo, informe final (o parcial).
Figura 1. Criterios para establecer procedimientos y lista de revisión.Fuente: CORASCO, Manual para la revisión de diseños de pavimentos, p. 17.
1 CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, pp. 16-17.
2.1.2. Consideraciones generales de pavimentos
Son los conceptos de definición y variables de los tipos de pavimentos, así como sus
características y su clasificación, entre esta se describe a detalle cómo está
estructurado cada uno.
2.1.2.1. Definición y variables
Para efectos del presente protocolo, pavimento, es la estructura integral de capas
superpuestas, generalmente horizontales denominadas subrasante, subbase, base y
carpeta, colocadas hasta coronar la rasante y destinada a permitir el tránsito vehicular.
Se diseñan y construyen técnicamente con materiales apropiados y adecuadamente
compactados. Una vez definido este aspecto básico, se presenta una exposición de
criterios y conceptos que servirán de ayuda en el proceso de revisión. Una de las
primeras decisiones que debe tomar ingeniero especialista en pavimentos es la de
cómo manejar una gran serie de variables, y transformarlas en "parámetros y valores
de diseño", que le permitan usarlas en el método seleccionado, como parte del
proceso total. El diseño de un pavimento es esencialmente distinto del de otra
estructura de ingeniería: el pavimento, en su totalidad se apoya sobre el material de
fundación y es, por lo tanto, altamente influenciado por las condiciones ambientales.
Una carretera, por otra parte, atravesará a lo largo de su recorrido una multiplicidad de
depósitos de suelos, cada uno con propiedades diferentes. Cada uno de esos suelos,
que son la fundación del pavimento, y también los materiales y mezclas que formarán
la estructura propiamente dicha del pavimento, se ven afectados por muchos factores,
entre los que pueden citarse: densidad, humedad, textura y estructura de sus
componentes, y grado de confinamiento. A todos estos hechos debe añadir las
características y variables propias del tránsito vehicular que actuará sobre el
pavimento.2
Tales características hacen del diseño de pavimentos una tarea compleja, y para
facilitar el manejo de tal volumen y tipo de información. Por ese motivo y para efectos
prácticos, el diseñador de pavimentos podría determinar en los casos de proyectos
nacionales lo que se denomina "Unidades de Diseño". Estas unidades pueden
definirse como: "tramos de la vía que presentan condiciones similares de topografía,
drenaje, clima, tráfico esperado, suelos existentes, y materiales de construcción."
Como una sugerencia hecha en otros países y por las facilidades de construcción se
2 CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, p. 27.
establece que las "Unidades de Diseño" tengan, como regla general, una longitud
mínima de dos (2) kilómetros.3
2.1.2.2. Características de un pavimento
La mayor parte de autores consideran que un pavimento debe reunir los siguientes
requisitos4:
1. Resistente a las cargas provocadas por el tránsito
2. Capacitado para las circunstancias impuestas por el medio ambiente y la
exposición a los agentes climatológicos especialmente a la lluvia y las
variaciones de temperatura.
3. Presentar una relación que combine la textura superficial, el desgaste
provocado por la abrasión de las llantas, maximizando el adecuado nivel de
seguridad de los vehículos. Superficie + textura = seguridad.
4. Minimizar las afectaciones del drenaje. El peor enemigo del pavimento es el
agua.
5. Un pavimento debe ser eficiente y eficaz
6. Debe tener una sensación agradable cuando se conduzca sobre ella
minimizando par el conductor aspectos de ruido, impacto visual, y maximizando
la comodidad de conducir.
2.1.2.3. Clasificación de los pavimentos.
De manera general los pavimentos se clasifican atendiendo lo que se denomina una
clasificación mecánica de su función, de esta manera5:
- Pavimentos flexibles
- Pavimentos semi - rígidos
- Pavimentos rígidos
- Pavimentos articulados
“Un pavimento flexible es una estructura que mantiene un contacto íntimo con las
cargas y las distribuye a la subrasante; su estabilidad depende del entrelazamiento de
los agregados, de la fricción de las partículas y de la cohesión”. Están formados por
una capa bituminosa apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, la base y la
sub base (Ver Figura 2).6
3 CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, p. 27.4 Ídem.5 Ibíd, p. 28.6 Ídem.
Figura 2. Sección de un pavimento flexible.Fuente: CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, p. 28.
El pavimento semirrígido es un pavimento especial ya que es una estructura
combinada compuesta por una carpeta bituminosa flexible apoyada sobre estructuras
rígidas como losas antiguas de concreto. Su análisis es complejo debido a la
diferencia de rigidez de las capas. Si el espesor no es adecuado en ocasiones reflejan
las grietas preexistentes en las losas de concreto. Guarda básicamente la misma
estructura de un pavimento flexible exceptuando su componente rígido.7
Figura 3. Sección de un pavimento semi-rígido.Fuente: CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, p. 29.
Los pavimentos rígidos están conformados superficialmente por losas de concreto
apoyadas sobre una estructura granular calculada de acuerdo a la capacidad de
soporte del terreno, que en algunos casos se denomina sub-base, para garantizar sus
rigidez. Se le llama rígido porque al ser sometido a las cargas del tránsito deben ser
prácticamente nulas las deformaciones que ocurran.8
Figura 4. Sección de un pavimento rígidoFuente: CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, p. 30.
7 CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, p. 29. 8 Ibíd, p. 30.
El pavimento articulado o de adoquines es el que está compuesto por pequeños
bloques prefabricados, normalmente de concreto, que se denominan en nuestro medio
como adoquines; se asientan sobre un colchón de arena soportado por una capa de
sub-base o directamente sobre la sub-rasante. Su diseño, como todo pavimento, debe
estar de acuerdo con la capacidad de soporte de la subrasante para prevenir su
deformación.9
Figura 5. Sección de un pavimento articulado o adoquinadoFuente: CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, p. 30.
2.1.3. Tipos de pavimentos
Existen varios tipos de pavimentos, entre ellos se encuentran los pavimentos rígidos o
también llamados hidráulicos, también están los pavimentos flexibles o asfalticos.
Aquí conoceremos algunos de los tipos de pavimentos.
Pavimentos Flexibles.
Un pavimento flexible o también llamado pavimento asfaltico es una carpeta asfáltica,
la cual proporciona la superficie de rodamiento. Las cargas especialmente de los
vehículos que transitan por un pavimento flexible o pavimento asfaltico hacia las capas
inferiores se distribuyen por medio de las características de fricción y de cohesión de
las partículas de los materiales que son utilizados y la carpeta asfáltica se pliega a
pequeñas deformaciones de las capas inferiores sin que su estructura se rompa.
Algunas de las capas que conforman un pavimento flexible en la mayoría de veces
son10:
- Carpeta Asfáltica.
- Base.
- Sub-Base.
9 CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, p. 30.10 UNAM, Concreto hidráulico permeable, una alternativa para la recarga de los mantos acuíferos del valle de México, p. 15.
Esta estructura se diseña según condiciones especiales, los principales parámetros de
diseño de un pavimento por métodos racionales son11:
- Numero de ejes o vehículos que pasan por la vía.
- Módulos elásticos de las capas que conforman el pavimento.
- Temperatura del proyecto.
- Espesores de las capas.
Todas estas capas se construyen sobre la capa subrasante:
. Figura 6. Estructura de un pavimento flexible
Fuente: UNAM, Concreto hidráulico permeable, una alternativa para la recarga de los mantos acuíferos del valle de México, p. 16.
Este tipo de pavimento llamado flexible, se diseña para un determinado número de
repeticiones de carga, y alcanzar este número de repeticiones, se espera que el
pavimento se fatigue y falle, este fallo del pavimento se demuestra con la presencia de
fisuras y grietas en la parte superficial.12
Los pavimentos rígidos son aquellos cuyo elemento fundamental es una losa de
concreto hidráulico en la que se distribuyen las carga de los vehículos hacia las capas
inferiores por medio de toda la superficie de la losa y de las adyacentes que trabajan
en conjunto con la que recibe directamente las cargas. Este tipo de pavimento no
puede plegarse a las deformaciones de las capas inferiores sin que se presente la falla
estructural. Aunque en teoría las losas de concreto hidráulico pueden colocarse en
forma directa sobre la sub-rasante, es necesario construir una capa de sub-base para
evitar que los finos sean bombeados hacia la superficie de rodamiento al pasar los
vehículos, lo cual puede provocar fallas de esquina o de orilla de la losa. Como se
muestra en la figura 7.13
La sección transversal de un pavimento rígido está constituido por14:
- Losa de concreto.
- Capa de sub-base.11 UNAM, Concreto hidráulico permeable, una alternativa para la recarga de los mantos acuíferos del valle de México, p. 15.12 Ibíd, p. 16.13 Ídem.14 Ibíd, p. 17.
- Ambas apoyadas sobre la sub-rasante y la capa de subrasante.
Figura 7. Estructura de pavimento rígidoFuente: UNAM, Concreto hidráulico permeable, una alternativa para la recarga de los mantos acuíferos
del valle de México, p. 17.
Para el caso de un pavimento rígido el cual no posee, todas estas capas y donde la
más externa es una capa construida en concreto que por lo general es colocada en
placas, se diseña también con un tráfico especifico, con la diferencia que este
pavimento puede fallar con solo una repetición de carga. La grafica anterior nos
muestra un ejemplo de materiales en la conformación de un pavimento rígido.15
Un pavimento no es solo lo que vemos, es una estructura funcional, compleja y donde
la tecnología nos lleva a utilizar materiales no convencionales para su diseños, por
ejemplo en pavimentos flexibles se realizan diseños con capas de grava –escoria,
grava – cemento, cauchos etc., con el fin de brindar calidad a menores costos.16
Hay que tomar en cuenta diversos factores para el diseño de los pavimentos rígidos,
por ejemplo cuando el material local no tiene las características para cumplir tal
función, por presentar problemas de expansión, bajo valor relativo de soporte, se
recurre a la utilización de materiales seleccionados de mejor calidad, o bien a su
tratamiento con productos tales como cemento portland, cal, asfaltos; dependiendo su
selección de aspectos prácticos y económicos.17
La capacidad de respuesta estructural de la subrasante se determina mediante el
modulo de reacción, k, que constituye uno de los principales parámetros de diseño de
los pavimentos rígidos. Teniendo en cuenta la elevada rigidez del concreto y el efecto
de la viga desarrollado por las losas del pavimento, los niveles de esfuerzo y
deformaciones producidos en la subrasante son muy bajos, de manera que no se
requiere un elevado valor de soporte en dicha capa, siendo más importante que dicho
15 UNAM, Concreto hidráulico permeable, una alternativa para la recarga de los mantos acuíferos del valle de México, p. 17.16 Ídem.17 Ibíd, p.18.
efecto de soporte sea uniforme, condición que además debe mantenerse a través del
tiempo.18
En la medida en que el modulo de reacción k aumenta, el espesor necesario de la losa
se reduce para iguales condiciones de transito y de resistencia d concreto, de manera
que una mejoría en la calidad o resistencia de la capa subrasante se traduce en un
ahorro en el espesor del concreto, el cual llega a ser significativo, hasta el orden del 10
por ciento, principalmente cuando se trata de pavimentos de transito intenso.19
Por otro lado, que actualmente se están aplicando algunos métodos de diseño de
espesores, principalmente del tipo mecanismo-empírico, que es una medida de las
propiedades elásticas de los suelos, parámetro que ha sido reconocido
internacionalmente como un medio para caracterizar los materiales para propósitos de
diseño o evaluación de pavimentos.20
Con respecto a la sub-base debe fundamentalmente evitar el efecto de bombeo de los
suelos finos. Una capa de sub-base es obligada en los casos en que se combinen
suelos finos, agua y transito pesado, de tal forma que se induzca el efecto de bombeo.
Dichas condiciones se presentan frecuentemente en el caso de pavimentos
importantes que soportaran un elevado volumen de transito pesado. Las condiciones
necesarias para producir dicho efecto no se tienen en caminos secundarios de bajo
nivel de transito ni en calles residenciales. En estos últimos casos la utilización de una
capa de sub-base no se justifica desde el punto de vista económico y los resultados
deseados se pueden lograr mediante la preparación adecuada y menos costosa de la
subrasante.21
Las variaciones de temperatura y humedad que ocurren estacionalmente, producen
gradientes que generan esfuerzos y deformaciones en las losas que contribuyen
agrietamiento y bajo tales, las losas se expanden y se contraen, produciéndose
además alabeos que adoptan curvaturas cóncavas durante la noche y convexas
durante el día, pudiendo adicionalmente el suelo de cimentación experimentar cambios
volumétricos.22
18 UNAM, Concreto hidráulico permeable, una alternativa para la recarga de los mantos acuíferos del valle de México, p. 18.19 Ídem.20 Ídem.21 Ídem.22 Ídem.
2.1.4. Vías para revisar estudios de diseño de pavimentos
Para los estudios del pavimento su situación actual y sus espesores, los mismos están
ligados íntimamente al tipo de camino o de proyecto al tipo de pavimento considerado
y a la metodología de diseño23:
- Materiales de la plataforma, la sub rasante y su calidad
- Materiales locales y su calidad para uso en el pavimento o como pavimento
- Tránsito y sus características
- Clima y ambiente
En la Figura 8 se trata de explicar lo anterior de la siguiente manera24:
- Existen diversos casos de estudios de espesores de acuerdo al tipo de camino
(clasificación funcional) y al tipo de proyecto que resulta de la formulación del
proyecto.
- Existen diversos tipos de pavimento que pueden aplicarse a cada caso para
evaluación más conveniente
- En esa misma relación se tiene que considerar las diversas metodologías de
diseño.
Figura 8. Estudios de diseño de pavimentosFuente: UNAM, Concreto hidráulico permeable, una alternativa para la recarga de los mantos acuíferos
del valle de México, p. 19.
Los aspectos para los estudios de diseño de pavimentos son25:
- El primer aspecto (Los tipos de caminos, su clasificación funcional y la
metodología de evaluación y el tipo de proyecto) condicionan el tipo de
pavimento más conveniente de tal manera que se generan múltiples
23 UNAM, Concreto hidráulico permeable, una alternativa para la recarga de los mantos acuíferos del valle de México, p. 19.24 Ídem.25 Ibíd, p. 20.
combinaciones. La clasificación funcional es un instrumento básico para la
planificación vial y para el caso de Nicaragua y del desarrollo de los estudios
de factibilidad, diseños, u otros estudios la clasificación funcional podrá guiar el
alcance y especificaciones de los mismos.
- El segundo aspecto se relaciona con la escogencia del pavimento más
conveniente considerando los cuatro factores señalados en el apartado anterior
para los casos anteriores.
- El Tercer aspecto es la escogencia del método más adecuado para resolver las
variables impuestas por los factores señalados.
2.2. Diseño de pavimentos flexibles
Para diseñar pavimentos se requieren de algunos tipos de métodos, pero para diseñar
pavimentos flexibles se requieren de métodos específicos para lograr diseños óptimos
mediante previos pasos para lograrlo.
2.2.1. Método ASSHTO 1993- ecuación guía
La ecuación de la guía AASHTO 1993 para pavimentos flexibles es la siguiente:26
En donde:
- W18 : Número de aplicaciones de carga de 18 kips
- ZR : Área bajo la curva de distribución estandarizada para una confiabilidad R
- So : Desviación estándar de las variables
- SN : Número Estructural (Ecuación 2)
- DPSI : Pérdida de la serviciabilidad prevista en el diseño
- MR : Módulo resiliente de la subrasante
26 CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, p. 60.
SN es llamado el número estructural. El número estructural se convierte a una
combinación de espesores de capa, combinando coeficientes que representan la
capacidad estructural relativa del material de cada capa, en donde se representan las
capas de acuerdo a lo siguiente27:
- ai : Coeficiente de capa i
- mi : Coeficiente de drenaje i
- Di : Espesor de capa i
Los materiales usados en cada una de las capas de la estructura de un pavimento
flexible, de acuerdo a sus características ingenieriles, tienen un coeficiente estructural
"ai". Este coeficiente representa la capacidad estructural del material para resistir las
cargas solicitantes.28
Estos Coeficientes están basados en correlaciones obtenidas a partir de la prueba
AASHO de 1958-60 y ensayos posteriores que se han extendido a otros materiales y
otras condiciones para generalizar la aplicación del método.29
2.2.1.1. Variables a considerar
Las variables que se tiene que considerar para el diseño de espesores son30:
- Variables En Función Del Tiempo.
a. El Período De Tiempo Para El Diseño.
b. La Vida Útil Del Pavimento.
- Variables En Función Del Tránsito
- Confiabilidad
- Calidad De La subrasante. Subrasantes Expansivas
- Calidad O Índice De Serviciabilidad.
- Propiedades De Los Materiales. El Módulo Resiliente De La Subrasante
- Clima-Drenaje
2.2.2. Determinación de los espesores
Con el método AASHTO se usa la expresión o Ecuación31:
En donde, como ya
referimos:
27 CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, p. 61.
- a1, a2, a3 son los coeficientes estructurales o de capa, adimensionales.
- m1, m2, m3 son los coeficientes de drenaje
- D1, D2, D3 son los espesores de capas, en pulg o mm,
Figura 9. Espesores del sueloFuente: CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, p. 62.
En este sentido, el número estructural (SN) llevará las unidades de los espesores de
las diferentes capas del pavimento. Esta ecuación no tiene una única solución, hay
prácticamente un infinito número de combinaciones de espesores que la pueden
satisfacer, no obstante esto, se dan normativas tendientes a dar espesores de capas
que puedan ser construidas y protegidas de deformaciones permanentes por las capas
superiores más resistentes.32
Para resolver la ecuación se deben tomar en cuenta las siguientes expresiones33:
- ¡) a, D, m y SN corresponden a valores mínimos requeridos
- ii) D* y SN* representan los valores finales de diseño
28 Ídem.29 Ibíd, p. 62. 30 Ídem.31 Ídem.32 CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, p. 62.33 Ídem.
2.2.3. Determinación del número estructural
En el Manual SIECA se utiliza el ábaco para obtener el número estructural y en dicha
figura los valores que se requieren para la determinación del SN son34:
- La cantidad de ESAL´s por carril y la cual se calcula de la manera como se
conforme la tabla que aparece en esa sección.
- La confiabilidad, que está implícita en el término ZR y que representa el área
bajo una curva normal de distribución para un grado de confiabilidad R.
- El valor de las desviaciones estándar S0
- El Modulo de resiliencia efectivo de la sub rasante
- La pérdida de serviciabilidad
2.2.4. Método TRL según ORN 31
Se conocerá el método, de donde viene y sus antecedentes, según “Overseas Road
Note 31” su utilidad en la actualidad y los experimentos que se han hecho en base a
este método de diseño para pavimentos flexibles.
2.2.4.1. Antecedentes del método
Se trata de un método de diseño de pavimento propiciado por una entidad del Reino
Unido cuyo detalle y contenido se aprecia o aparece en documento conocido como
“Overseas Road Note 31”; para referencia de este manual estamos tomando como
guía la cuarta edición de dicho documento. Se trata de un método basado en diseño
por catálogo. Estos diseños de pavimento incorporados en la cuarta edición de la nota
31 (ORD) se basan especialmente en: (a) Resultados de los experimentos a escala
completa donde todos los factores afectando el comportamiento se han medido
exactamente y su variabilidad cuantificada. (b) Estudios del funcionamiento de redes
carreteras existentes tal como fueron construidas. Donde se carece de la evidencia
empírica directa los diseños se han interpolado o se han extrapolado de estudios
empíricos usando modelos de comportamiento de carreteras (Parsley y Robinson
(1982), Paterson (1987), Rolt y otros (1987)) y métodos analíticos, mecánicos
estándares e.g Gerritsen y Koole (1987), Powell y otros (1984), Brunton y otros (1987).
Debido a la naturaleza estadística del diseño del pavimento causada por
incertidumbres en el pronóstico del tránsito y la variabilidad en las características de
los materiales, clima y comportamiento de los pavimentos de las carreteras, las
propuestas de diseño se han presentado como catálogos o tablas de diseño de
estructuras de pavimento, que es aplicable, cada una, sobre un pequeño rango del
34 CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, p. 62.
tráfico y de la calidad de la subrasante. Tal procedimiento hace que las los catálogos y
las tablas de diseño sean extremadamente fáciles utilizar pero es importante que el
lector este entendido a fondo con las notas aplicables a cada tabla. Para efectos de
normalizar los términos más usados en este método el modelo de espesores lo
denominaremos conforme la siguiente figura.35
Figura 10. Definición de capas de pavimentoFuente: CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, p. 63.
2.2.5. Metodología de diseño
Hay tres pasos principales que se siguen en este método para diseñar un pavimento
nuevo, estos tres pasos son36:
I. Estimación de la cantidad de tránsito y el número acumulado de ejes
estándares equivalentes que se utilizarán en el período de diseño
seleccionado;
II. Determinar la resistencia de los suelos de la subrasante sobre la que el
camino debe ser construido;
III. Seleccionar la combinación más económica de los materiales del
pavimento y de los espesores de capa que proporcionarán servicio
satisfactorio sobre el período de diseño del pavimento (Es
generalmente necesario asumir que se va a realizar un nivel apropiado
de mantenimiento).
El proceso de diseño establecido en la ORN 31 considera cada uno de estos pasos
alternadamente, y pone énfasis especial en cinco aspectos para considerarse en el
35 CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, p. 63.36 Ídem.
diseño que son de importancia significativa en para establecer los espesores de los
caminos en la mayoría de los países tropicales37:
- La influencia de los climas tropicales en las condiciones de humedad en la
subrasante de las carreteras.
- Las condiciones severas impuestas a las superficies asfálticas por los climas
tropicales y las implicaciones propias de lo anterior en el diseño de tales
superficies.
- La interrelación entre diseño y mantenimiento. Si la vía no cuenta con un nivel
apropiado de mantenimiento no es posible hacer diseños económicos para los
usuarios de la vía con los niveles de tránsito previsto. Esto significa altos
costos de operación para los vehículos.
- Las sobre cargas por ejes y las altas presiones de las llantas también son una
característica en nuestro medio.
- La influencia del clima en la naturaleza, de los suelos y los agregados usados
en la construcción de carreteras.
2.2.6. Descripción de los pasos
Estimación de la cantidad de tránsito y el número acumulado de ejes estándares
equivalentes que se utilizarán en el período de diseño seleccionado. Determina la
resistencia de los suelos de la subrasante sobre la que el camino debe ser construido
y selecciona la combinación más económica de los materiales del pavimento y de los
espesores de capa que proporcionarán servicio satisfactorio sobre el período de
diseño del pavimento.38
2.2.7. Catálogos de diseño
Los catálogos de diseño se pueden encontrar39:
- Base Granular/tratamiento superficial
- Base compuesta(granular y estabilizada)/tratamiento superficial
- Base granular/rodadura semiestructural
- Base compuesta/rodadura semiestructural
- Base granular/rodadura estructural
- Base compuesta/rodadura estructural
37 CORASCO, Manual para la revisión de diseño de pavimentos, p. 64.38 Ibíd, p. 66.39 Ibíd, p. 68.
2.3. Descripción de métodos usuales de diseño
En este apartado conoceremos los métodos más usados de diseño en el pavimento
flexible y su aplicación de cada uno de ellos en el campo laboral y porque son los
métodos más escogidos para elaborar el pavimento flexible.
2.3.1. Método del Instituto de Ingeniería de la UNAM
Desde hace aproximadamente tres décadas, los proyectistas de carreteras han
contado en México con un método de diseño para pavimentos desarrollado por el
Instituto de Ingeniería de la UNAM, a petición de la entonces Secretaría de Obras
Públicas, luego SAHOP y ahora SCT. Este método partió del análisis de datos
experimentales en tramos de prueba, en carreteras en servicio, de investigación
teórica y de experimentación en laboratorio en la pista circular de pruebas, que influyó
más recientemente en sucesivos perfeccionamientos. Actualmente el método está
preparado para ser manejado con la ayuda de gráficas, con calculadoras
programables o con la ayuda del cómputo.40 El conjunto del trabajo de años del
Instituto de ingeniería de la UNAM se encuentra en la publicación No. 444 de dicha
institución que data de 1981, pero en estas páginas sólo se hará una breve glosa de la
metodología de trabajo, correspondiente a la utilización de gráficos, nomogramas y
ecuaciones de diseño.41
Este método considera como datos de entrada básicos el tipo de carretera, el número
de carriles, la vida de proyecto, el tránsito diario promedio anual (TDPA), tasa de
crecimiento y variables adicionales sobre características del terreno y materiales, así
como de climas, nivel freático y precipitación pluvial. Como guía para el proyectista, se
recomienda la estimación de un Valor Relativo de Soporte crítico para las condiciones
previamente dadas (Tabla 1).42
En la siguiente tabla (Tabla 1.) se muestran valores estimados de exclusivamente para
materiales de subrasante, dependiendo de algunos tipos de materiales, sus índices
plásticos y diferentes profundidades del nivel freático.43
Se requieren adicionalmente pruebas de laboratorio confiables, para una mejor
comprensión del comportamiento de las terracerías y demás capas a diseñar,
debiendo realizarse para cada material propuesto y disponible, pruebas con tres
40 Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 27.41 Ídem.42 Ídem.43 Ibíd, p. 28.
diferentes energías de compactación; esto es, baja (AASHTO estándar) compactación
intermedia y alta energía (AASHTO modificada).44
Tabla 1. Valor relativo de soporte crítico estimado para pavimentos, de subrasantes compactadas 95% del volumétrico seco máximo proctor.
Fuente: Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 28.
Encontrando la humedad óptima y teniendo normado el porcentaje de compactación
que se especifique en el proyecto y dependiendo del control de la construcción, se
indicará un rango de variación de humedad respecto al óptimo. Paralelamente el
laboratorio deberá reportar los valores de resistencia en VRS para cada tipo de
material a utilizar.45
Con el conjunto anterior, se encontrará una zona que reflejará las condiciones
esperadas para la subrasante, encontrándose, en función de la humedad crítica
esperada, el valor crítico de VRS de diseño.46
En función del VRS crítico obtenido para la subrasante, por experiencia se asignará un
valor menor para el cuerpo del terraplén, del orden del 60% obtenido para la
subrasante.47
Para obtener el VRS crítico de las capas restantes, ésto es la sub-base y base, el
método emplea la siguiente ecuación, en donde interviene un coeficiente de variación
estimado (v) entre 0.2 y 0.3, debido a cambios posibles del material, procedimiento
constructivo, etc. Lo anterior, siempre tenderá a disminuir el VRS de campo promedio,
que como ya se dijo cubrirá incertidumbres tanto de la prueba de valor relativo de
soporte como de los materiales, redundando en lo que se conoce como factor de
seguridad.48
44 Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 28.45 Ídem.46 Ibíd, p. 29. 47 Ídem.48 Ídem.
El segundo paso contemplado en el método, consiste en la información y
procesamiento de los datos del tránsito, partiendo del TDPA inicial, su tasa de
crecimiento en porcentaje anual y la composición vehicular detallada, considerando
desde los automóviles y vehículos ligeros hasta los vehículos más pesados de carga.49
Se hace notar que el método contempla en este análisis los porcentajes de vehículos
pesados, tanto cargados con carga legal, como totalmente vacíos.50
Tabla 2.Ejemplo de composición vehicular con porcentajes de cargados y vacíos.
TIPO DE VEHICULO COMPOSICIÓN
PROPORCÍON
CARGADOS VACIOS
Automóviles 40% 60% 40%
Camiones ligeros (A2) 20% 80% 20%
Autobuses (B2) 15% 90% 10%
Camiones de dos ejes (c2) 10% 98% 2%
Camiones de tres ejes (C3) 12% 98% 2%
Tractores con semirremolques (T2–S1) 2% 99% 1%
Tractores con semirremolques (T2-S2) 1% 99% 1%
Fuente: Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 30.
Para el análisis del tránsito equivalente acumulado (Σ L), el método inicia el cálculo de
los coeficientes de daño a diferentes profundidades de la estructura del pavimento, lo
cual podrá procesarse con el empleo de las tablas siguientes del método de diseño
49 Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 29.50 Ibíd, p. 30.
original del Instituto de Ingeniería, la ecuación general se deberá calcular el coeficiente
de daño de cada vehículo tanto en condiciones de carga reglamentada y vacíos, para
profundidades de Z = 0 cm para obtener los ejes equivalentes en carpeta y base, y Z=
30 cm para el resto de la sección.51
Dónde:
- di = Coeficiente de daño equivalente en la capa i.
- σz = Esfuerzo a la profundidad z, en Kg/cm2.
- p = Peso del eje, en Kg.
- Fz = Coeficiente de influencia de Boussinesq a la profundidad z.
- A = Constante experimental.
- z = Profundidad en cm.
- 5.8 = Presión de contacto de la llanta en Kg/cm2
Al obtenerse los coeficientes de daño para todos y cada uno de los vehículos vacíos y
cargados a las profundidades Z = 0 y Z = 30, el proyectista deberá multiplicar éstos por
la composición del tránsito en porcentaje. Con ello se obtendrá el Número deejes
equivalentes para cada vehículo y para cada profundidad. Al efectuar la sumatoria de
tales valores en el carril de proyecto por el coeficiente de acumulación del tránsito CT y
por el valor de TDPA inicial, se obtendrá el tránsito equivalente acumulado ΣL para las
capas de carpeta y base, y sub-base y terracerías respectivamente.52
Dónde:
- CT = Coeficiente de acumulación del tránsito.
- n = Años de servicio.
51 Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 30.52 Ibíd, p. 31.
- r = Tasa de crecimiento anual.
Finalmente el método presenta un procedimiento sencillo para obtener los espesores
equivalentes de diseño de la sección estructural del pavimento, procedimiento que
incluye varios nomogramas que están en función del nivel de confianza Qu que se elija,
el Valor Relativo de Soporte Crítico de cada capa y el tránsito equivalente acumulado
en ejes sencillos de 8.2 ton en el carril de proyecto.53
Con los nomogramas citados, el proyectista podrá obtener los espesores equivalentes
para cada capa a las profundidades ZN, tomando en cuenta coeficientes de resistencia
estructural recomendados ai, que considera 1 cm de asfalto equivalente a 2 cm de
grava54:
- a1D1 = carpeta, D1 espesor en cm, a1 coeficiente equivalencia.
- a2D2 = base, D2 espesor en cm, a2 coeficiente equivalencia.
- anDn = capa n, Dn espesor en cm, an coeficiente equivalencia.
Con lo anterior, el proyectista estará en posibilidades de determinar el espesor final de
cada capa de la sección estructural del pavimento diseñado, interviniendo para ello los
diferentes criterios que adopte para una mejor estructuración de la sección carretera,
tomando en cuenta ciertos arreglos de capas, ciertas clases de materiales y mínimos
espesores que se tienen especificados por la dependencia o autoridad responsable.55
Es importante hacer notar que para complementar la información proporcionada por el
Instituto de Ingeniería de la UNAM, sobre los coeficientes de daño incluidos en el
apéndice E, el lector de este trabajo podrá consultar la información proporcionada por
el Instituto Mexicano del Transporte en su Publicación Técnica No. 5, donde se trata
con detalle el Análisis de los Coeficientes de Daño Unitarios correspondientes a los
vehículos de carga autorizados en la Red Nacional de Carreteras Mexicanas.56
En el citado trabajo, se utiliza la metodología original del Instituto de Ingeniería de la
UNAM, pero con la diferencia de analizar el daño a los pavimentos hasta 120 cm de
profundidad, lo que cubre la gran mayoría de los pavimentos de la red federal.57
Se analizan 15 diferentes vehículos de carga, proporcionando sus coeficientes de
daño desde una profundidad de Z = 0, Z = 15, Z = 30, Z = 60, Z = 80, Z = 100 y hasta
llegar a Z = 120 cm, para ver el daño en las capas inferiores de la sección estructural
53 Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 31.54 Ibíd, p. 32.55 Ídem.56 Ídem.57 Ídem.
de un pavimento flexible, llegando hasta el cuerpo del terraplén. Además se reporta el
coeficiente de daño “unitario” ponderado por carga útil, lo que auxiliará al proyectista
para determinar el daño preciso en cualquier profundidad y para cualquier valor de
carga; esto es, vacío, parcialmente cargado y cargado totalmente con la máxima carga
legal permitida y aún los casos de vehículos con sobrecarga.58
Para lograr el detalle anterior y una mayor precisión en el cálculo hasta obtener los
ejes totales equivalentes, el usuario tendrá que ampliar su tabla de cálculo sugerida
por el Instituto de Ingeniería de la UNAM (reporte No. 444), adicionando columnas y
renglones para cada tipo de vehículo; columnas para más valores de profundidad Z =n
y renglones para incluir y analizar el daño producido cuando los vehículos circulan
parcialmente cargados y cuando operan sobrecargados.59
Se hace mención que el propio Instituto Mexicano del Transporte, desde 1991,
dispone de la estadística detallada de aforos reales y actuales hechos en la red,
resultados que han sido plasmados en los Estudios correspondientes de Pesos y
Dimensiones.60
Debe mencionarse también que en este momento existe a nivel mundial una profunda
preocupación, que se está traduciendo en esfuerzos concertados de investigación
internacional, a todo lo cual México no es indiferente, por encontrar tecnologías de
laboratorio que traten de informar sobre el comportamiento de los materiales en
relación directa a propiedades fundamentales o a circunstancias específicas que
afectan a los pavimentos reales, yendo más allá de tratar de conocer el
comportamiento estructural, intrínsecamente hablando, que la propiedad que se desea
medir. Estos esfuerzos están haciendo aparecer tecnologías de laboratorio generadas
por procedimientos más razonables, pero aún no del todo confrontados con la realidad
de las obras, por lo que es difícil justipreciar cual va a ser el nivel de su éxito. Lo que
parece fuera de duda es que se observa una inquietud de los investigadores en el
campo de los pavimentos, que produce una actividad creciente que no dejará de
generar resultados favorables.61
58 Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 32.59 Ibíd, p. 33.60 Ídem.61 Ibíd, p. 26.
Figura 11.Relacion peso volumétrico seco – contenido de agua – para suelo arcilloso.
Fuente: Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 34.
Tabla 3. Cálculo del tránsito equivalente acumulado (σl).
Figura 12. Gráfica para diseño estructural de carreteras con Pavimento flexible.Fuente: Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 36.
Figura 13. Gráfica para diseño estructural de carreteras con pavimento flexible.Fuente: Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 37.
2.3.2. Método de Diseño Español MOPU - Secciones de Pavimento
El extinto Ministerio de Obras Públicas de España (MOPU) publicó en mayo de 1989
una Orden donde se aprobó la Instrucción 6.1 y 2-I.C. de la Dirección General de
Carreteras, que instruye que para los proyectos de construcción de nuevas carreteras
o reconstrucción de las existentes se utilice el “Catálogo de Secciones de Pavimento
Flexibles y Rígidos”, haciéndose notar que no aplica para el diseño de refuerzos de
pavimentos ni a secciones de pavimentos sobre alguna estructura.62
El Catálogo en cuestión se editó en 1990 y continúa vigente a la fecha como un
producto del impulso que experimentó España con el Programa de Autovías incluido
en el Plan General de Carreteras. La proliferación de proyectos de gran importancia
económica, obligó a acelerar la revisión de la normatividad, complementándose la
Instrucción vigente de 1986 de una forma integrada, proporcionando a la fecha una
amplia gama de soluciones para todas las categorías de tránsito pesado. Se incluyen
en la metodología, soluciones de diseños de pavimentos para carreteras, tanto del tipo
flexible como del tipo rígido.63
El Catálogo considera períodos de diseño o de servicio de 20 años para los
pavimentos flexibles y de 30 años para los pavimentos rígidos elaborados con
concreto hidráulico. También toma en cuenta la intensidad media diaria de vehículos
pesados que se prevea en el carril de proyecto y en el año de la puesta en servicio.64
Se utilizan para el diseño tres categorías de subrasante, definidas por su mínimo valor
relativo de soporte (VRS). En base a las variables anteriores, el Catálogo proporciona
13 alternativas de solución para 5 diferentes tránsitos, 3 categorías de subrasantes y 8
clases de materiales diferentes, para usarse en las capas de la sección estructural de
los pavimentos. Todo lo anterior se traduce finalmente en un Catálogo que proporciona
al usuario o diseñador un abanico del orden de 500 secciones de pavimento.65
2.3.2.1. Tránsito
Para el diseño de secciones estructurales de los pavimentos flexibles o rígidos, el
método español considera exclusivamente los “vehículos pesados”, mismos que define
de la siguiente manera66:
- Camiones de carga útil superior a 3 Ton, de más de 4 ruedas y sin remolque.
62 Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 37.63 Ibíd, p. 38.64 Ídem.65 Ídem.66 Ibíd, p. 40.
- Camiones con uno o varios remolques.
- Vehículos articulados.
- Vehículos especiales.
El Catálogo contempla categorías de tránsito pesado desde el T0 hasta el T4,
cubriendo intensidades medias diarias de vehículos pesados entre 50 y más de 2,000
vehículos sobre el carril de diseño. Cuando no se dispone de datos confiables del
aforo vehicular, se admite la asignación por carriles siguiente67:
- En superficies de rodamiento de dos carriles y doble sentido de circulación,
incide sobre cada carril la mitad de los vehículos pesados.
- En superficies de rodamiento de cuatro carriles (dos por sentido de circulación),
inciden sobre el exterior todos los vehículos pesados que circulen en el sentido
considerado.
- En superficies de rodamiento de tres o más carriles por sentido de circulación,
incide sobre el exterior el 85% de los vehículos pesados que circulen en el
sentido considerado.
- Para efectos de utilización del presente método, en la Tabla 3 se definen cinco
categorías de tránsito pesado, en función de la intensidad media diaria de
vehículos pesados (IMDp), en el carril de proyecto y en el año de la puesta en
servicio.
Tabla 4. Categorías de tránsito pesado.
Fuente: Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 40.
Para el diseño de nuevas construcciones de autopistas y carreteras, recomiendan que
en ningún caso la categoría seleccionada sea inferior a T 1, que involucra una IMDp
67 Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 40.
entre 800 y 2,000 vehículos pesados y, cuando se justifique que los ejes de los
vehículos pesados estén sobrecargados, se deberá adoptar la categoría inmediata
superior.68
2.3.2.2. Subrasante
El Catálogo considera 3 categorías de subrasante, definidas por el índice VRS mínimo;
esto es: E 1, entre 5 y 10, E 2, entre 10 y 20 y E 3, para índices mayores de 20 por
ciento, determinados por los métodos de ensaye especificados y en las condiciones
más desfavorables de humedad y densidad.69
Se hace notar que el método no admite subrasantes del tipo E 1 para categorías de
tránsito pesado T0 y T1 y además para esos casos se recomienda la utilización de
materiales estabilizados con cal o cemento, se sugieren algunos materiales utilizables
en las subrasantes.70
Tabla 5. Materiales utilizables en subrasantes.
Fuente: Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 41.
68 Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 41.69 Ídem.70 Ídem.
2.3.2.3. Materiales para capas superiores
El Catálogo recomienda que para las categorías de tránsito pesado T 0, T 1 y T 2 (o
sea intensidades diarias mayores a 200 vehículos pesados en el carril de diseño) se
utilicen exclusivamente mezclas asfálticas en caliente o concreto hidráulico para la
superficie de rodamiento. En los casos de tránsitos pesados con categorías T3 o T4
(IMDp entre 50 y 200) se permite el empleo de mezclas asfálticas en frío, además de
las mezclas en caliente, pero se restringen los espesores mínimos de la capa citada a
4 y 5 cm. Para la categoría T 4 se permiten 4 cm de mezcla asfáltica sellada con
tratamiento superficial.71
El Catálogo también cubre brevemente características para los tratamientos
superficiales con lechada asfáltica, concreto compactado con rodillos, suelo-cemento,
agregados pétreos artificiales o naturales, riego de sello con gravilla, riego de liga y de
curado. Finalmente, se hace notar que el Catálogo proporciona recomendaciones de
materiales y de dimensionamiento geométrico para los pavimentos en carreteras, tanto
flexibles como rígidos, relativos a espesores, anchos de acotamientos, juntas
longitudinales y transversales para la superficie de rodamiento, etc. Para el caso de
pavimentos rígidos, se dan recomendaciones relativas a juntas longitudinales y
transversales, involucrando su dimensionamiento, los tipos de material y los pasa
juntas.72
2.3.3. Método de Diseño del Instituto del Asfalto de los EUA
El método más reciente del Instituto del Asfalto de los Estados Unidos de
Norteamérica, editado en 1991 y publicado en 1993, presenta algunos cambios
significativos, respecto a los métodos anteriores para el diseño de la sección
estructural de los pavimentos flexibles. Se basa principalmente en la aplicación de la
teoría elástica en multicapas, que utiliza resultados de investigaciones recientes por
parte de ese organismo. Sin embargo, se reconoce que por los avances en la
tecnología de los pavimentos asfálticos, se requieren más conocimientos sobre las
propiedades de los materiales para las necesidades actuales de los sistemas
carreteros.73
Se presenta un procedimiento de diseño para obtener los espesores de la sección
estructural de pavimentos. Se incluyen varias combinaciones de superficies de
71 Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 44.72 Ibíd, p. 45.73 Ibíd, p. 47.
rodamiento con concreto asfáltico, carpetas elaboradas con emulsiones asfálticas,
bases asfálticas y bases o sub-bases granulares naturales.74
2.3.3.1. Estimación del tránsito
El método actual distingue el “Período de Diseño” del “Período de Análisis” , de la
siguiente manera75:
- Un pavimento debe ser diseñado para soportar los efectos acumulados del
tránsito para cualquier período de tiempo; el período seleccionado, en años, se
define como “Período de Diseño”. Al término de éste, se espera que el
pavimento requiera alguna acción de rehabilitación mayor, como puede ser una
sobrecarpeta de refuerzo para restaurar su condición original. La vida útil del
pavimento, o “Período de Análisis”, puede ser extendida indefinidamente, a
través de sobrecarpetas u otras acciones de rehabilitación, hasta que la
carretera sea obsoleta por cambios significativos en pendientes, alineamiento
geométrico y otros factores. En la versión reciente, el método considera
períodos de diseño de uno a 35 años y tasas de crecimiento del tránsito del 2
al 10% anual.76
Tabla 6. Tasa Anual De Crecimiento Del Tránsito
Fuente: Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 48.
74 Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 47.75 Ídem.76 Ibíd, p. 48.
Para el cálculo del porcentaje de camiones en el flujo vehicular sobre el carril de
diseño, el actual método recomienda los siguientes valores:77
Tabla 7. Porcentaje de camiones en el carril de diseño.
Fuente: Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 49.
Para el cálculo de los ejes equivalentes, el método vigente recomienda utilizar la
metodología de la AASHTO, en su versión 1993 (incluida en este trabajo). Para lo
anterior, el método proporciona en la Tabla , factores de equivalencia de la carga o
coeficientes de daño para ejes sencillos, dobles o triples, incluyendo cargas sobre el
eje desde 0.5 toneladas (1,000 lb) hasta 41 toneladas (90,000 lb), lo que se considera
cubre sobradamente cualquier condición de peso de vehículos de carga en cualquier
red de carreteras, desde rurales hasta grandes autopistas.78
2.3.3.2. Evaluación de materiales
Habiéndose obtenido los coeficientes por cada eje, la suma proporcionará el
coeficiente total de equivalencia del vehículo. Utilizando el factor o tasa anual de
crecimiento del tránsito, multiplicándolo por los coeficientes totales de equivalencia y
por el número de vehículos del aforo del tránsito promedio anual, se obtienen los ejes
equivalentes acumulados reales para el período de diseño considerado.79
El método incorpora factores de ajuste de los ejes equivalentes de diseño, para
diferentes presiones de contacto de las llantas sobre el pavimento, en función de su
presión de inflado y de los espesores de la carpeta asfáltica, donde contempla desde
cuatro hasta diez pulgadas de espesor (10 y 25 cm respectivamente).80
77 Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 49.78 Ídem.79 Ibíd, p. 57.80 Ibíd, p. 58.
2.3.3.3. Cálculo de espesores de diseño
Para el diseño de los espesores de una sección estructural del pavimento flexible, el
método actual del Instituto del Asfalto, considera como parámetro fundamental, dentro
de la evaluación de los materiales, la obtención del Módulo de Resiliencia (Mr), con
recomendaciones del método de prueba descrito en el Manual de Suelos MS-10 del
propio Instituto. Sin embargo, reconocen que no todos los organismos o dependencias
tienen el equipo adecuado para llevar a cabo tal prueba, por lo que han establecido
factores de correlación entre Mr y la prueba estándar de Valor Relativo de Soporte (T-
193 de AASHTO). Señalan que los resultados son bastante aproximados; sin
embargo, para un diseño preciso, se recomienda llevar a cabo la prueba del Módulo
de Resiliencia para la capa de la subrasante.81
- Mr (Mpa) = 10.3 CBR
- Mr (psi) = 1,500 CBR
Se hace notar que tales correlaciones sólo se aplican a materiales de la capa
subrasante, no sirviendo para materiales granulares que se pretendan emplear en las
capas de subbase o de la base.82
Otro cambio importante en la actual metodología descrita, es la inclusión de métodos
de prueba normados según AASHTO y ASTM para los siguientes parámetros:83
Límite Líquido T89 y D4318, Límite Plástico T90 y D4318, Índice Plástico T90 y D4318,
Granulometría T88 y D422, Compactación T180 y D1557, Valor Relativo de Soporte
T193 y D1883, Valor R T190 y D2844 y para el Módulo de Resiliencia Mr se
recomienda utilizar el método MS-10 del propio Instituto.
En función del tránsito esperado sobre el pavimento en estudio, el método del Instituto
del Asfalto recomienda los siguientes valores percentiles para calcular el Módulo de
Resiliencia de diseño de la capa subrasante.84
2.3.4. Método de la AASHTO para el diseño de la sección estructural de los
Pavimentos
El actual método de la AASHTO, versión 1993, describe con detalle los procedimientos
para el diseño de la sección estructural de los pavimentos flexibles y rígidos de
carreteras. En el caso de los pavimentos flexibles, el método establece que la
81 Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 58.82 Ídem.83 Ibíd, p. 59.84 Ídem.
superficie de rodamiento se resuelve solamente con concreto asfáltico y tratamientos
superficiales, pues asume que tales estructuras soportarán niveles significativos de
tránsito (mayores de 50,000 ejes equivalentes acumulados de 8.2 ton durante el
período de diseño), dejando fuera pavimentos ligeros para tránsitos menores al citado,
como son los caminos revestidos o de terracería.85
En este trabajo únicamente se resume el procedimiento para pavimentos flexibles, con
el objeto de que el usuario disponga de una metodología práctica y sencilla de uso
frecuente en su ámbito de trabajo.86
85 Rico, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, p. 61.86 Ibíd, p. 62.
BIBLIOGRAFÍA
Braja M., Dams. 2001, Fundamentos de ingeniería geotecnia, ed. thomson
learning: México, DF. 594 pp.
Corea y asociados s.a. (CORASCO), 2008, manual para la revisión de diseños de
pavimentos, ed. Trillas: Managua, Nicaragua. 294 pp.
Rico Rodríguez, Alfonso, et. al. 1998, Pavimentos flexibles. Problemática,
metodología de diseño y tendencias, ed. Limusa: México, D.F. 151 pp.
Rico Rodríguez Alfonso.2005, La ingeniería de suelos en las vías terrestres,
carreteras, ferrocarriles y autopista, ed. Limusa: Mexico. 456 pp.
UNAM. 2002, concreto hidráulico permeable, una alternativa para la recarga de los
mantos acuíferos del Valle de México, ed Limusa: México. 257 pp.
TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO
Instituto Tecnológico de Oaxaca
PAVIMENTOS FLEXIBLES
Pérez García S.*
* Estudiante de la carrera de Ingeniería Civil del Instituto Tecnológico de Oaxaca. Avenida Ingeniero Víctor Bravo Ahuja # 125, esquina calzada Tecnológico, C.P. 68030. Oaxaca de Juárez, Oax. Tels. (951) 501- 5016. www.ito.mx. salvadorpega@gmail.com
Introducción
Un pavimento debe ser diseñado de tal manera que las cargas impuestas por el tránsito no generen deformaciones permanentes excesivas. En el caso de los pavimentos flexibles, estas deformaciones se producen en cada una de las capas.
Planteamiento del problema
Los pavimentos se dividen en rígidos y flexibles. Sin embargo la rigidez o flexibilidad que un pavimento exhibe no es fácil de definir tan adecuadamente como para permitir una diferenciación entre uno y otro tipo de pavimento, el precisar que tan rígido puede ser un pavimento flexible o que tan flexible puede llegar a ser un pavimento rígido.
Justificación
Las vías de comunicación son base del desarrollo del país, para ser capaces de competir en el desarrollo económico y para mejorar la calidad de vida de sus habitantes. Son un factor determinante para abatir la discriminación geográfica y social y tener una expansión económica y social sostenible.
La gente quiere vialidades seguras con mejor visibilidad, manejo confortable del vehículo con mejores condiciones de frenado, además de vialidades de calidad, confiable y con un bajo costo de operación. Se requiere vialidades duraderas con una mayor vida útil de alta resistencia al desgaste que necesiten menor mantenimiento.
ObjetivoAnalizar el pavimento flexible y cada uno de sus métodos de diseño, de tal manera que seamos sabedores la diferencia que tiene con los demás tipos de pavimento, esto para lograr una mayor economía en el proyecto, así como durabilidad, vialidades seguras y de calidad mediante los métodos de diseño señalados.
Bibliografía
Braja M., Dams. 2001, Fundamentos de ingeniería geotecnia, ed. thomson learning: México, DF. 594 pp.
Corea y asociados s.a. (CORASCO), 2008, manual para la revisión de diseños de pavimentos, ed. Trillas: Managua, Nicaragua. 294 pp.
Rico Rodríguez, Alfonso, et. al. 1998, Pavimentos flexibles. Problemática, metodología de diseño y tendencias, ed. Limusa: México, D.F. 151 pp.
Rico Rodríguez Alfonso.2005, La ingeniería de suelos en las vías terrestres, carreteras, ferrocarriles y autopista, ed. Limusa: Mexico. 456 pp.
UNAM. 2002, concreto hidráulico permeable, una alternativa para la recarga de los mantos acuíferos del Valle de México, ed Limusa: México. 257 pp.
Contenido del CD
Nombre del archivoContenido del
archivoObservaciones
Clasificación y diseños de
pavimentos.
Tipos de pavimento, métodos de diseño de pavimentos y tasa de crecimiento anual en los pavimentos.
Documento en
PDF.
Diseño del pavimento de
concreto flexible.
Método analítico, método grafico, factores de diseño y el diseño estructural del pavimento.
Documento en
PDF.
Los pavimentos, definición,
tipos e importancia.
Antecedentes, definición, tipos de pavimentos, los pavimentos flexibles, diferencias entre pavimentos rígidos y flexibles.
Presentación en
Power Point.
Manual para la revisión de
diseños de pavimentos.
Maneras de revisar un estudio de pavimento, diseño de pavimentos, metodología de diseño, estudio de diseño de espesores, procedimientos para su revisión.
Manual en PDF.
Pavimentos flexibles
Tipos de pavimentos, metodología de diseño, introducción a los pavimentos flexibles, métodos usuales.
Presentación en
Power Point.