Capítulo 3 Proyecto carretero

Objetivo: conocer los elementos del proyecto carretero y desarrollar habilidades

para aplicarlos en casos concretos.

3.1. Estudios básicos: geología, geotecnia, hidrología y topohidraúlicos.

La geología: es la ciencia de la tierra, que tiene por objeto describir y explicar el

aspecto y disposición de la corteza terrestre. Su historia, estudia la constitución de

la tierra en las diferentes épocas geológicas, es decir, que el ingeniero a través de

esta ciencia obtiene los datos que le permitirán saber sobre el origen de los suelos

por donde pasará la vía terrestre en estudio (si son de origen volcánico,

sedimentario o mixtos), esta información ya existe en algunos lugares a través de

cartas geológicas; pero en donde no lo hay es necesario realizar estudios de

campo.

La geotecnia: es la ciencia que estudia las características mecánicas del suelo en

la zona por donde pasará la vía. Esta información nos permitirá conocer la

capacidad del terreno, su clasificación, influyendo esta información en el diseño de

las estructuras, de la cimentación de las alcantarillas y puentes, así como en el

diseño de los taludes en los cortes o terraplenes por el ángulo de reposo de los

materiales.

La hidrología: estudia las características y comportamiento de los escurrimientos

y precipitaciones de la zona, así como la historia de los ríos y arroyos que tendrán

influencia dentro del área de la vía a construir. Nos informará del comportamiento

del ciclo de las avenidas, lluvias, etc. Todo lo anterior para poder diseñar

adecuadamente las estructuras del drenaje en la vía.

Los estudios topohidráulicos: nos permiten conocer a detalle las características

topográficas de la zona, esto es curvas de nivel y secciones a cada 20 mts. O

menos según la importancia del camino, los cruces con arroyos o escurrimientos,

así como los vados o barrancas del terreno por donde cruzará el camino. En otras

palabras, nos da la configuración tanto longitudinal como transversal del trazo que

pretendemos que sea el camino y esto es la línea imaginaria (subrasante), la cual

es sumamente importante debido a que con estos datos se inicia el estudio de la

curva masa (movimiento de tierras).

Todos estos estudios previos de realizan en gabinete, en base a la información

que ya existe, estos estudios regionales o nacionales asentados en cartas a a

escalas variables son producidos por el INEGI.

3.2. Proyecto geométrico

Una vez realizados los estudios anteriores, se fijará la ruta probable del trazo del

camino, cumpliendo con tocar los puntos obligados, los cuales pueden ser de dos

clases:

a) Por razones topográficas

b) Por razones económico – políticas o sociales (esto es que debe pasar por

todas las poblaciones de la región).

Suponiendo que ya se tienen localizados estos puntos en la carta topográfica de la

región se procede a unirlos mediante tangentes horizontales, cumpliendo con las

características geométricas del tipo de camino que se autorizó en la etapa de

planeación, los cuales pueden ser: tipo especial o autopista, tipo A, tipo B, Tipo C,

tipo D, Tipo E, donde se nos fija el grado de curvatura, el porciento de pendiente y

otras características geométricas y de construcción.

Como ya estamos en la etapa del proyecto definitivo, se realizarán los siguientes

proyectos: horizontal, vertical o perfil, curva masa.

El proyecto horizontal se realizará en una planta de la zona en escala 1:2 000

como se muestra en la figura siguiente:

La planta debe ser dibujada por el sistema de coordenadas, por lo que el trazador

deberá calcular todas las cotas de los puntos de inflexión, con el objeto que sea

dibujada correctamente y verificado el grado de curvatura autorizado.

El proyecto vertical se obtiene una vez fijadas las cotas de los puntos obligados a

tocar por el camino, lo cual originará el diseño de la subrasante, la cual deberá ser

la óptima. Con el dibujo de esta línea en el perfil se buscará realizar el estudio de

la curva masa más económico, esto es, que sea compensada, que los cortes

ocupen exactamente los volúmenes de los terraplenes, para diseñar la subrasante

se deberá tomar en cuenta la pendiente permitida por el tipo de camino a realizar,

como se muestra a continuación.

A continuación, es necesario que el proyectista recorra en el campo la línea

proyectada para verificar la conveniencia de su proyecto, juzgando las

afectaciones, tipos de suelos y drenajes y es su caso modificarlos. En este

recorrido se deberá prestar especial interés al funcionamiento del drenaje del

drenaje del proyecto, tomando los niveles de aguas máximas en los cruces; una

vez definida la línea de trazo se proporcionará al departamento de geotecnia una

copia de los de los planos de trazo horizontal y perfil. Así como el trazo preliminar

de las obras de drenaje menor y mayor, para que den las recomendaciones de

cimentación de estas obras.

3.3. Proyecto de drenaje

Uno de los elementos que mayores problemas causa a los caminos, es el agua, ya

que por lo general provoca la disminución de la resistencia de los suelos, por lo

que se presentan fallas en los terraplenes, cortes y superficies se rodamiento. Lo

anterior conduce a resolver el problema de desalojo del agua lo más rápidamente

posible, esto es, diseñar un drenaje adecuado para el desalojo rápido de ella, así

evitamos problemas graves a la estructura, en consecuencia, podría decirse que

un buen drenaje es el alma de un camino.

El drenaje se divide en drenaje superficial y subterráneo, los cuales a su vez

pueden ser longitudinales o transversales. La función del drenaje es la de eliminar

lo más rápidamente posible el agua que llega al camino por:

1. Precipitación directa

2. Escurrimiento del terreno adyacente

3. Crecientes de ríos y arroyos

4. Filtración a través del subsuelo

Por lo anterior, el proyectista deberá localizar los lugares adecuados para alojar

las estructuras de drenaje los más eficientemente posible, ya que al construir el

camino muchas veces, modificamos las cuencas y escurrimientos naturales.

Los drenajes superficiales tendrán como finalidad dos faces: en primer término

reducir al mínimo el agua que fluye y la defensa de los elementos del camino

contra la acción de las aguas corrientes o almacenadas que puedan llegar a

afectarlo.

Las obras de drenaje longitudinales son:

Cunetas, contracunetas (evitan que el agua llegue a la estructura con fuerza),

bombeo longitudinal, guarniciones, vertedores, lavaderos y desarenadores, a

continuación, se ven algunos de estos drenajes.

El drenaje subterráneo tiene por objeto dar paso expedito al agua que por no

poder desviarse en otra forma, tiene que cruzar de un lado a otro el camino.

Ordinariamente comprende alcantarillas y puentes, la división entre uno y otro es

la longitud del claro que salvan, alcantarillas menor de 5mts, puentes mayor de

5mts.

Las alcantarillas pueden ser de tubo, cajón, bóveda o mixtas.

Diseño hidráulico: consiste en calcular el área necesaria para dar paso al

volumen de agua que se concentra en la entrada de la estructura, para ello se

requiere un estudio previo que abarca: precipitación pluvial, área, pendiente y

formación geológica de la cuenca. Para calcularla se pueden utilizar varios

métodos; el más usado es el de la fórmula de tablot o método empírico, y es:

a = 0.183 C A ¾

Donde: a= área hidráulica necesaria en la obra m2

A= área hidráulica de la cuenca por drenar en Ha

C= coeficiente que varía de acuerdo a las características

del terreno 0.25 <. C< 1

3.4. Proyecto de pavimentos

Pavimento significa superficie de rodamiento, cuando se dice espesor de

pavimento se comprende la distancia entre el nivel de la subrasante y el nivel de la

rasante, generalmente, es esta distancia que se aloja una o varias capas de

material seleccionado que forman la sub – base y/o la base, los pavimentos

pueden ser:

1. Pavimento flexible

2. Pavimento rígido

1. Pavimento flexible o asfáltico, formado por materiales pétreos y un

cementante asfáltico.

2. Pavimento rígido o hidráulico, formado por materia pétreo, agua y

cemento, con/sin refuerzo.

Ambos pavimentos en su estructura son iguales, cambiando solamente en su

superficie de rodamiento, es por esto, que a continuación describiré los elemento

comunes a ambos como son: la terracería o capa subrasante, la sub – base, la

base y las estructuras de protección.

La terracería: puede definirse como una capa de soporte y transmisión de

esfuerzos ya que sobre esta descansan las demás capas y a su vez, está en

contacto con el terreno natural, al cual transmite los esfuerzos generados por las

cargas del tránsito ya disminuidos, el material con que se construye esta capa

puede ser material local sin demasiadas especificaciones.

La sub – base: generalmente se hace con materiales triturados o disgregados,

agregándoles un material cementante en proporción definida por el laboratorio de

campo, esto es los materiales son seleccionados, ya que esta capa tiene como

función soportar los esfuerzos transmitidos por la base y disminuir su efecto en la

terracería, de tal manera que produzcan deformaciones mínimas, la sub – base

debe cumplir las siguientes funciones:

a) Actuar como capa aislante que impida la ascensión de los finos arcillosos

de la terracería.

b) Abaratar el costo de la construcción, ya que se construye con materiales

con especificaciones de calidad menos rigurosas que la base.

c) Cortar la ascensión capilar del agua a las capas superiores de la estructura

del pavimento.

d) Actuar en ciertos casos como dren para evitar la saturación de la terracería

por el agua que pudiera precolarse por falta de impermeabilidad de la capa

asfáltica.

Para poder cumplir adecuadamente con estas funciones, se deberá cuidar que la

sub – base se construya siempre con materiales homogéneos, de la calidad

requerida y en los espesores que recomiende el estudio de laboratorio de campo,

debe de haber sido compactado con la humedad óptima para poder obtener como

mínimo un 95% de su peso volumétrico seco máximo, determinado previamente

por pruebas de laboratorio.

La base: está constituida por materiales seleccionados que se colocan sobre la

sub – base y en ocasiones sobre la sub – rasante o terracería y cuya función es la

de soportar las cargas impuestas por los vehículos, distribuyendo los esfuerzos en

las capas inferiores, de tal forma que no se produzcan deformaciones

perjudiciales. Estas condiciones se satisfacen al igual que en la capa anterior

mediante:

a) una cuidadosa selección de los materiales empleados

b) un tratamiento adecuado de ellos, desde que son extraídos de los bancos,

hasta que son compactados en la carretera

c) un diseño racional del espesor de la carpeta en función, así como de las

capas, de a cuerdo a las características y frecuencia de las cargas que va a

soportar el pavimento

Además debe construirse la base con materiales homogéneos de la calidad

requerida y en las capas de espesor uniforme, de acuerdo con el estudio

efectuado, debe compactarse con la humedad óptima, hasta obtener como mínimo

el 95% de su peso volumétrico seco máximo determinado en el laboratorio.

Una vez que la base queda terminada y aceptada se le aplica un riego de

impregnación a razón de 1.3 a 1.7 lts./m2 de asfalto FM. La función de este es

impermeabilizar la superficie de la base para evitar la penetración del agua a las

capas inferiores.

Pasadas varias horas de que se impregnó la base (dependiendo de varios factores

como: tiempo, temperatura, etc. del lugar), se aplica un segundo riego llamado “de

liga” con un asfalto FR. cuya función es la de ligar la base con la carpeta en una

proporción aproximada de 1.2 a 1.5 lts./m2.

La carpeta: esta debe considerarse en términos generales como la superficie de

rodamiento y no considerar que absorbe parte de los esfuerzos impuestos por el

tránsito, salvo en los casos de que sea de un espesor considerable. Debe tener

las siguientes características:

a) Impermeabilidad: debe ser impermeable al agua para evitar que esta

penetre a las capas inferiores y las reblandezca originando deformaciones

permanentes.

b) Dureza y tenacidad: los materiales usados en la construcción de la carpeta

deberán ser lo suficientemente resistentes a las acciones del desgaste y

choque a que están expuestos.

c) Rigurosidad: la seguridad del tránsito exige que la superficie de rodamiento

que presenta la carpeta posea y conserve cierta rigurosidad para impedir

que los vehículos derrapen aún con el pavimento mojado.

3.5. Proyecto de puentes y estructuras

Para diseñar los puentes que alojará el camino, primero, si son sobre lechos de

arroyos o ríos de debe calcular el área hidráulica, por lo general por el método de

secciones y pendientes; aplicando al fórmula de manning. Este método es

aplicable cuando se tienen arroyos con cause bien definidos y que pueden

encontrarse huellas dejadas por las corrientes de las crecientes máximas, es

necesario conocer las dimensiones de las secciones de escurrimientos y la

pendiente del arroyo, así como el coeficiente de rigurosidad del cauce, que es

función del material del lecho.

En el diseño de puentes se requiere conocer el gasto máximo que pasará bajo el

puente según el periodo de retorno de avenidas que se tome; generalmente es de

25 a 50 años, así como la velocidad del agua y el mayor nivel que alcanzará

debido al remanso que se producirá a causa del estrechamiento de la sección

hidráulica por la presencia del puente nivel que no deberá ser mayor de 0.40 mts.

del que se tenía antes de la construcción.

Para calcular el gasto máximo de la corriente de agua, es necesario conocer el

área hidráulica de diferentes secciones del río y la velocidad media en cada una

de ellas y aplicar la siguiente fórmula:

Q = A X V Donde:

A= sección hidráulica en m2

V = velocidad de la corriente en m2

Q = gasto en mts. 3/seg

Los estudios generalmente se llevan a cabo en tres secciones:

1. Una en el sitio de cruce

2. Otra aguas arriba

3. Otra aguas abajo

A distancias de 300 a 500 mts. entre ellas, de las cuales es necesario conocer la

sección transversal que se levanta por algún procedimiento topográfico.

Aplicando una serie de fórmulas hidráulicas obtenemos los datos necesarios para

el diseño estructural del puente, para ello se plantean diversas soluciones y se

obtienen varios costos para elegir el que presente la mayor ventaja.

Estas ventajas deben ser: funcionales, constructivas y económicas. Estos

anteproyectos en general se desarrollan con base en las dimensiones que tengan

otros puentes similares ya resueltos y bien ejecutados. En ellos se deben cumplir

todos los requisitos que influyen en el cruce, como la separación entre pilas para

permitir el libre paso de los cuerpos flotantes o bien la circulación de los vehículos

bajo o sobre la estructura si se trata de un paso a desnivel.

Una vez que se logra definir el tipo de estructura más conveniente, se procede al

proyecto estructural de sus elementos de acuerdo con las técnicas de la estática y

resistencia de materiales que corresponda, considerando las cargas que actuarán

en el puente, su impacto, el posible efecto de empuje del viento sobre la estructura

y los esfuerzos que resulten de la aceleración sísmica.

3.6. Proyecto de entronques

Como parte muy importante de un camino tenemos los entronques o

intersecciones, que se presentan en un cruce con otros caminos, con ferrocarriles

o con poblaciones, destacando dos tipos generales que son:

Intersecciones a nivel

Intersecciones a desnivel

En las intersecciones a nivel se distinguen:

Intersecciones simples: son aquellas en donde la importancia del tránsito no

amerita ningún trabajo especial, mas que el de nivelar el terreno y facilitar la

visibilidad para que los vehículos pasen de un lado a otro.

Intersecciones canalizadas: cuando los volúmenes de tránsito son altos y la

importancia del camino lo ameriten, se realiza este tipo de solucionen en donde al

usuario, no se le presenten varias decisiones a un tiempo. Se canaliza el tránsito

mediante señales convenidas para que puedan funcionar óptimamente y al

usuario no se le presenten cambios bruscos.

Finalmente, cuando en la intersección se complica el paso porque concurren a ella

tres o más caminos, la intersección puede dotarse de dispositivos de control que

ordene el movimiento vehicular por turnos en función de los volúmenes de tránsito.

Las intersecciones a desnivel se utilizan cuando por el volumen de tránsito se

originan accidentes en el lugar, debido a que no pueden coexistir estos volúmenes

a nivel, generan doce puentes vehiculares. En la intersección más moderna, la de

tres niveles distintos, las vueltas izquierdas se efectúan directamente, y no

mediante círculos completos a la derecha. En un trébol, las vueltas izquierdas

equivalen a dar un círculo completo a la derecha.

Hay un principio universal que dice que dos cuerpos no pueden ocupar al mismo

tiempo el mismo espacio, hoy en día, muchos usuarios al llegar a un entronque lo

olvidan y viene el inevitable conflicto. Es por esto, y debido al gran aumento en el

tránsito que debemos diseñar adecuadamente estos entronques y evitar en lo

posible accidentes.

A continuación, veremos algunos de estos entronques:

3.7. Proyecto de señalización

Durante los últimos 25 años, el acelerado desarrollo del sistema vial y el

crecimiento del uso del autotransporte se ha traducido en un constante incremento

en los viajes por carretera, al grado que el usuario ha venido a depender más cada

día de la existencia de dispositivos de control de tránsito para su protección e

información. Es tan grande esta dependencia que es indispensable el uso de

dispositivos uniformes para obtener el máximo rendimiento de cualquier camino,

ya sea de altas especificaciones o de especificaciones modestas. Es por ello que

se está tratando a nivel mundial de uniformizar estos dispositivos. (Señalización).

Es conveniente advertir que cualquier dispositivo para el control del tránsito debe

cumplir con cinco requisitos fundamentales:

1. Satisfacer una necesidad importante

2. Lamar la atención

3. Transmitir un mensaje claro

4. Imponer respeto a los usuarios del camino

5. Estar en el lugar apropiado a fin de dar tiempo para reaccionar

Existen cuatro consideraciones básicas para asegurar que tales requisitos se han

cumplido, ellos son: proyecto, uniformidad, ubicación y conservación.

Las señales son tableros fijados en los postes o estructura, son símbolos,

leyendas, o ambas cosas, que tienen por objeto prevenir a los conductores de

vehículos la existencia de peligros, determinadas restricciones o prohibiciones que

limiten sus movimientos sobre el camino, proporcionarles información necesaria

para facilitar el itinerario de su viaje.

En cuanto a su función las señales se clasifican en:

a) Preventivas

b) Restrictivas

c) Informativas

Su ubicación puede ser longitudinal, transversal, sobre estructura, en el piso, etc.

a continuación en las hojas siguientes se dan algunas especificaciones