Proyecto 1 Pavimentos

Reporte TécnicoEstudio Geotécnico

Proyecto: “Proyecto vialidad del carril norte-sur del

boulevard Ruíz Cortines, Facultad de Ingeniería, municipio de Boca del Río,

Veracruz”

Diseño de Pavimentos

Boca del Río, Veracruz. 16 de Marzo del 2015

CONTENIDO1. Introducción………………………………………………………………………(3)

1

2. Objetivo…………………………………………………………………………...(4)

3. Alcances y limitaciones…………………………………………………………(4)

4. Descripción de la zona de estudio……………………………………………..(4)

5. Sismicidad……………………………………………………………………..…(4)

6. Inspección visual del sitio……………………………………………………….(5)

7. Exploración y muestreo en campo………………………………………….....(5)

8. Trabajos de laboratorio………………………………………………………....(6)

9. Estratigrafía…………………………………………………………………..…..(6)

10.Calidad del terreno natural……………………………………………………..(7)

11.Diseño de la estructura de pavimento para carriles de desaceleración…...(7)

12.Pavimentos de Adoquines de concreto ………..……………………………(14)

13.Análisis estructural de pavimento rígido……………………………………..(19)

14.Conclusiones……………………………………………………………………(24)

15.Anexo……………………………………………………………………………(25)

Boca del Río, Veracruz, a 15 de marzo del 2015.

2

A quien corresponda

Presente

1.- Introducción

Se pretende la construcción de una estructura de pavimentos para el proyecto

Ruíz Cortines, Facultad de Ingeniería, Municipio de Boca del Río, Veracruz. En

este informe incluye las características físicas del suelo, estratigrafía, propiedades

índices y el diseño de la estructura de pavimento flexible, rígido y propuesta de

pavimento especial (adoquines). En la Figura 1 se muestra la zona de estudio. Las

coordenadas geográficas de la zona de estudio es 19° 9'59.18" Norte y 96°

6'49.65" Oeste.

Figura 1. Imagen satelital de la zona de estudio.

2.- Objetivo

3

Analizar las características físicas y estructurales de los estratos que componen el

predio mediante la exploración de campo y ensayes de laboratorio realizando una

serie de tipo a pozos a cielo abierto y el diseño de la estructura de pavimento de

tipo flexible, rígido y propuesta pavimento especial (adoquín).

3.- Alcances y limitaciones

El alcance del estudio es plantear una serie de sugerencias para la construcción

de la cimentación en función de los resultados de mecánica de suelos. El presente

informe ha sido elaborado con base en los resultados obtenidos de las muestras

extraídas por los sondeos de exploración directa.

4.- Descripción de la zona de estudio

Boca del Rio es una localidad del estado de Veracruz, México. Está situada en la

costa del Golfo de México en la desembocadura del Rio Jamapa, al sur de la

localidad de Veracruz con la cual esta conurbada y forma parte de la Zona

Metropolitana de Veracruz. Colinda al norte con el municipio de Veracruz, al sur

con el municipio de Alvarado, al este con el Golfo de México y al oeste con los

municipios de Medellín y Veracruz.

5.- Sismicidad

La zona en donde se ubica el municipio de Boca del Río, Veracruz, está

considerada dentro de la zona B, en la regionalización sísmica de la Comisión

Federal de Electricidad, es decir, zona de sismicidad intermedia. Según los

Reglamentos de construcciones, el suelo del sitio es del tipo II y el coeficiente

sísmico es c=0.45, el espectro que arroja este coeficiente es el mismo para todo el

municipio. Información extraída del Manual de diseño de Obras Civiles (Diseño por

Sismo) de la Comisión Federal de Electricidad.

6.- Inspección visual al sitio

4

Previo al desarrollo de los trabajos de campo, se realizó un recorrido al predio,

cuya finalidad fue de conocer desde el punto de vista geotécnico las

características de la zona. En general, se tiene un terreno plano, colindante con

construcciones. Las coordenadas geográficas de localización del predio son 19°

9'59.18" Norte y 96° 6'49.65" Oeste. En la Figura 2 se muestran las condiciones

actuales de la zona en estudio.

Figura 2. Condiciones actuales de la zona de diseño de pavimentos.

7.- Exploración y muestreo en campo

Con objeto de obtener las características estratigráficas del subsuelo superficial de

manera directa se realizaron sondeos representativos por cada 500m de superficie

de rodamiento. De los sondeos se extrajeron muestras alteradas e inalteradas

para determinar las propiedades físicas y mecánicas así como para realizar su

correspondiente clasificación con base en el Sistema Unificado de Clasificación de

Suelos (SUCS). Durante la excavación se realizaron tomas de muestras alteradas

e inalteradas de los estratos típicos del predio y posteriormente se determinó la

estratigrafía. Los trabajos de exploración y muestreo fueron realizados de forma

5

manual con pico y pala. Los sondeos se realizaron a los costados de la vialidad

existente.

8.- Trabajos de laboratorio

Las muestras de tipo alterado representativas de los estratos fueron sometidas a

los ensayes siguientes:

Contenido de humedad.

Análisis granulométrico

Pruebas de límites de Atterberg o de plasticidad.

o Límite líquido.

o Límite plástico.

o Índice plástico.

Valor Relativo de Soporte (VRS)

9.- Estratigrafía

Arena con limo: La granulometría simple nos permitió determinar el

comportamiento del suelo, obteniendo un porcentaje de arenas de 76.60% y

23.40% de finos, el material que predomina es la arena y por lo tanto, su

comportamiento es friccionante. Además cuenta con las siguientes características:

humedad optima 8.4%, límite líquido 16.4%, límite plástico 14.2%, índice de

plasticidad 2.2%.

6

10.- Calidad del terreno natural

Del terreno natural se realizó ensayes para obtener su calidad: Los valores

obtenidos son: se obtuvo un VRS de 21%. De los resultados granulométricos, se

tiene: gravas 0%, arenas 76.60% y finos 23.40%. De los ensayes físicos: límite

líquido 16.4%, límite plástico 14.2%, índice plástico 2.2%, clasificado según el

SUCS como SM. Norma de referencia: M MMP 1 09/06.

11.- Diseño de la estructura de pavimento para carriles de desaceleración

Las estructuras de pavimento se diseñan para resistir los esfuerzos de un número

determinado de pasadas de un eje 8.2 ton. Se intenta calcular el número de ejes

durante el período de diseño de acuerdo a la composición del tránsito esperado.

Aforo vehicular

Para el diseño de la estructura de pavimentos se consideró el aforo vehicular

realizado en un estudio de impacto vial. En estos aforos se consideró el sentido de

la vialidad de Boulevard Adolfo Ruíz Cortines, Boca del Río, Ver, sentido Norte-

Sur, a las horas de 08:00-09:00, 12:00-13:00, 16:00-17:00 y 19:00-20:00 los días

del 23 al 27 de febrero del 2015. Los resultados se muestran en el Anexo 2. Se

tienen 4 horas picos y para las horas no picos se consideró los números de

vehículos más bajos registrados, quedando finalmente como se muestra en la

Tabla 1.

Tabla 1. Aforo vehicular.

Tipo de vehículo Cantidad Composición

del tránsito (%)A Y AP 30871 95.26

B 1469 4.53C2 46 0.14C3 20 0.06

TPDA 32406 100.00

7

Análisis estructural de daños de pavimento

Partiendo del método de la UNAM, se diseñó el cuerpo del pavimento usando el

programa Dispav-5 del Instituto de Ingeniería de la UNAM versión 3.0; se partió

del aforo propuesto en la sección anterior y el cálculo de ejes equivalentes dado

por el mismo programa. Se empleó un nivel de confianza del 90%. Se tomaron las

siguientes consideraciones:

- El tiempo propuesto para que la estructura de pavimento funcione con la

conservación normal, pero sin reconstrucción es de 15 años.

- El nivel de confianza empleado es del 0.90, por las variables de calidad y

disponibilidad de materiales, compactación y equipo de construcción

Al ser la vialidad de 4 carriles utilizaremos un 50% del ESAL para el carril de

diseño, con una tasa anual de crecimiento del 2% y un periodo de diseño de 15

años, lo que nos da un tráfico promedio en millones de ejes de 8.2 ton de:

z (cm) Millones de ejes (8.2 ton)

5 15.815 1230 9.760 1190 11.3120 11.5

8

Estimación del valor relativo de soporte, VRS

Con los resultados obtenidos en el laboratorio de terreno natural y VRS

propuestos de las capas que compondrán las capas del pavimento, se tienen los

siguientes valores mostrados en la tabla:

Capa VRS %Base 100

Sub-base 50Subrasante 20Terracería 8

Cálculo de los espesores de las capas usando Dispav-5

El tipo de camino que se desea construir en función de su tránsito de diseño será

un camino tipo A según la clasificación de la SCT, el cual conservará un nivel de

servicio alto al final de su vida de proyecto (1.2 cm de deformación en la rodada y

agrietamiento ligero a medio)

El tránsito de diseño quedará de la siguiente manera:

Para daño superficial se usará el tránsito equivalente a una

profundidad de 15 cm: 12 millones de ejes estándar

Para daño profundo se usará el tránsito equivalente a una

profundidad de 90 cm: 11.3 millones de ejes estándar.

De los VRS enunciados anteriormente se usarán para el diseño:

Capa VRS % VRS % utilizado

Base 100 100Sub-base 50 30Subrasante 20 20Terracería 8 8

9

Lo anterior debido a que existe un rango de valores mínimos y máximos

permitidos por la norma de la SCT

El único módulo de rigidez que se conoce con anterioridad es el da la carpeta

asfáltica, el cual es de 30,000 kg/cm2, los módulos de los demás materiales se

calcularon con base a la fórmula:

E=130VRS z0.7

Dando los siguientes resultados:

Material VRS % Módulo de Rigidez (kg/cm2) Poisson

Carpeta 30000 0.35Base 100 3265 0.35

Sub-base 30 2010 0.45Subrasante 20 1058 0.45Terracería 8 557 0.45

Utilizando el programa Dispav-5 y metiendo los datos obtenidos anteriormente nos arroja los espesores de carpeta:

10

Dado que la sub-base y subrasante son menores al mínimo que da la norma de la

SCT, se cambiarán dichos espesores por los que dice dicha norma

El espesor proyectado es adecuado para el daño por deformación, pero no así por

el causado por la fatiga, por lo que se procederá a recalcular los espesores de las

capas. Se propuso ahora un espesor de carpeta de 15 cm, con el cual ahora si

cumple con las condiciones de diseño

11

Otra solución que podríamos emplear sería la de reemplazar la base granular por

una base asfáltica, lo que aumentaría considerablemente la capacidad de esta

capa

12

Como podemos observar, existen varios diseños que podríamos utilizar para

nuestro proyecto, la elección final se basará principalmente en la disponibilidad de

los materiales y en el costo de estos; a continuación se presentan las dos

propuestas de diseño:

Capa Espesores, en cmCarpeta asfáltica 15 9Base asfáltica - 12Base granular 25 -Sub-base 15 15Subrasante 40 40

13

12.- Pavimentos de Adoquines de concreto

Su capa de rodadura está conformada por los adoquines de concreto, colocados

sobre una capa de arena y con un sello de arena entre sus juntas. De la misma

manera que los pavimentos de asfalto, pueden tener una base, o una base con

una sub-base, que pueden tener espesores ligeramente menores que para los de

asfalto. También se consideran como pavimentos flexibles y son del color gris

claro del concreto

Al pavimento de adoquines se le coloca una base que se diseña para que resista

cualquier tipo de tránsito, desde el peatonal hasta el de camiones.

El pavimento de adoquines de concreto está compuesto, casi siempre, por dos

capas: La capa de rodadura (los adoquines) y la base. Ambas capas son

importantes porque los adoquines sin base terminan por hundirse en el suelo; y la

base sin los adoquines se deteriora muy rápido y no tiene la resistencia suficiente.

La determinación de los espesores de estas capas y de sus materiales, se conoce

como Diseño del Pavimento de Adoquines, y es el único proceso que permite

construir un pavimento adecuado para las necesidades y condiciones que se

tengan. Un diseño "a ojo" dará un pavimento que se deteriorará rápidamente,

perdiéndose toda o parte de la inversión, o un pavimento por encima de lo que se

necesita, con unos costos muy altos e innecesarios.

14

Las capas

Los espesores de las capas dependen del tránsito que va a soportar el pavimento,

de la dureza del suelo y de los materiales con que se van a construir estas capas;

y deben tener la suficiente calidad para que el pavimento soporte el peso del

tránsito, durante un tiempo determinado, sin deformarse ni deteriorarse. El

tránsito, que va a circular por la vía durante el período de diseño, la dureza del

suelo y la calidad de los materiales disponibles, definen el espesor de la capa del

pavimento. Estas capas son, de arriba hacia abajo:

Capa de adoquines: Los adoquines tienen un espesor de 8 cm para todo

tráfico peatonal, animal o vehicular corriente.

Capa de arena: Esta capa se construye de 4 cm de espesor, con arena

suelta, gruesa y limpia, la cual no se compacta antes de colocar los

adoquines sobre ella.

La base: El espesor de la base depende del material con que se construya,

del tránsito y de la calidad del suelo. En las Tablas 2 y 3 se determinan los

espesores de base según la categoría del suelo, el tipo del tránsito y el

material disponible.

El suelo

Para poder considerar el suelo en el diseño, se clasifica en tres categorías de

acuerdo con su dureza y su estabilidad ante la humedad:

Suelo Categoría 1 (S1): Es de mala calidad; es decir, cuando está húmedo

se deforma con el paso de unos pocos vehículos pesados y se hace muy

difícil la circulación sobre él.

Suelo Categoría 2 (S2): Es de calidad intermedia; por lo cual, cuando está

húmedo, permite el paso de los vehículos pesados con poca deformación.

15

Suelo Categoría 3 (S3): Es de buena calidad y, aun cuando está húmedo,

permite el paso de vehículos pesados sin deformarse.

El transito

El Tipo de Tránsito que tiene la vía se determina sumando los vehículos

pesados que pasan por esta, en un día y en ambas direcciones. Se recomienda

sumar los que pasan durante una semana y dividir el resultado por 7, para tener

un promedio diario. Se considera como vehículos pesados los que tienen 6 o más

llantas (camionetas, camiones, buses, etc.), los tractores y los cargadores o

equipos de obras públicas.

En la Tabla 1 aparecen los Tipos de Tránsito según el Número de Vehículos

Pesados por Día.

Número de Vehículos Pesados por Día

1 a 5 6 a 20 21 a 50 51 a 200

Tipo de Tránsito T1 T2 T3 T4

Tabla 1. Tipo de Tránsito según el Número de Vehículos Pesados por Día.

Espesor de la base

Después de definir la Categoría del Suelo y el Tipo del Tránsito, se utilizan las

Tablas 2 o 3 para encontrar el Espesor de la Base, según el material, que se tenga

16

o que se pueda conseguir para construir bases para pavimentos; y que a la vez

resulte el más económico, como: Suelo-cemento (Tabla 2) y Granular (Tabla 3).

El espesor de la base que se encuentra en estas Tablas es el espesor que va a

tener, después de compactada. Nunca se deberán colocar menos de 8 cm de

base de suelo-cemento, ni menos de 10 cm de base granular.

TIPO DE TRANSITOCATEGORIA DEL SUELO

T1 T2 T3 T4

S1 20 25 30 35S2 10 12 15 20S3 8 8 8 10

Tabla 2. Espesor compactado de la Base de Suelo-cemento, en centímetros.

TIPO DE TRANSITOCATEGORIA DEL SUELO

T1 T2 T3 T4

S1 30 35 40 50S2 15 18 20 30S3 10 10 10 15

Tabla 3. Espesor compactado de la Base Granular, en centímetros.

Los adoquines de concreto forman la superficie del pavimento, por lo cual serán

de buena calidad para que soporten el tránsito de personas, animales y vehículos,

al menos durante 40 años; y tendrán una buena apariencia por ser la parte visible

del pavimento. Deben de tener 8cm de espesor y no tener más de 25 cm de

longitud, para manejarlos con facilidad y para que no se partan bajo las cargas del

tránsito

Para la construcción de un pavimento de adoquines se utilizan dos tipos de

arenas: una para la capa de arena debajo de los adoquines, que es una arena

gruesa, y otra para el sello de arena que es una arena fina.

17

Arena para la capa de arena. Es arena gruesa y limpia, como la que se usa para

concreto o para pegar ladrillo o bloque. Debe ser arena de río, no de peña ni

triturada.

Arena para el sello de arena: Es arena fina, como la que se usa para revocar

(pañetar, frisar, etc.). No es necesario lavarla pero si es indispensable pasarla por

una zaranda de huecos de 2,5 mm de ancho (anjeo cuadrado 8 x 8) para quitarle

los sobre tamaños, el material vegetal, otros contaminantes y para que quede

suelta.

La arena para el sello estará lo más seca posible en el momento de utilizarla para

que penetre en las juntas, por lo cual se debe almacenar bajo techo (si se esperan

lluvias) y revolverla con frecuencia para que seque. La arena gruesa no tendrá

que estar seca pero mientras menos humedad tenga, más fácil será su manejo.

La capa de arena tiene tres funciones: Servir de filtro, para el agua que pueda

penetrar por las juntas; de capa de acomodo para los adoquines y, al penetrar por

las juntas, ayudar a que estos se amarren entre sí.

Con los datos obtenidos anteriormente de la calidad del terreno natural y el

tránsito de diseño, se tienen los espesores de capaz recomendados para un

pavimento con adoquines de concreto que será como se muestra a continuación:

CapaAdoquin 8 8

Capa de arena 4 4Base granular 30 -

Base suelo-cemento - 20

Espesores, en cm

18

13.- Análisis estructural de pavimento rígido

Partiendo del método de la Portland Cement Association, se diseñó el cuerpo del

pavimento usando el programa Street Pave del American Concrete Pavement

Association versión 12.0; se partió del aforo propuesto en la sección anterior y el

cálculo de ejes equivalentes dado por el mismo programa. Se empleó un nivel de

confianza del 85%. Se tomaron las siguientes consideraciones:

- El tiempo propuesto para que la estructura de pavimento funcione con la

conservación normal, pero sin reconstrucción es de 20 años.

- El nivel de confianza empleado es del 0.85, por el tipo de carretera, las

variables de calidad y disponibilidad de materiales, compactación y equipo

de construcción

Al ser la vialidad de 4 carriles utilizaremos un 50% del ESAL para el carril de

diseño, con una tasa anual de crecimiento del 2% y un periodo de diseño de 20

años.

19

Estimación del módulo de Rotura MR

Uno de los datos indispensables para el diseño de un pavimento rígido es la

resistencia del concreto a la flexión también conocido como módulo de ruptura MR

y sus unidades se dan en Mpa.

El módulo de ruptura es cerca del 10% al 20% de la resistencia a compresión.

Cálculo de los espesores de las capas usando Street Pave

El tipo de camino que se desea construir en función de su tránsito de diseño será

un camino tipo A según la clasificación de la SCT, el cual conservará un nivel de

servicio alto al final de su vida de proyecto (1.2 cm de deformación en la rodada y

agrietamiento ligero a medio).

Inicialmente los datos del proyecto que consiste en el diseño de un nuevo

pavimento rígido. Utilizando el programa Street Pave y metiendo los datos

obtenidos anteriormente nos arroja:

20

Trafico

En lo que respecta al tráfico se elige la categoría del tipo de camino A, y

posteriormente se calcula el número de camiones promedio por día en el diseño

de carriles durante la vida útil de diseño, arrojando como resultados un promedio

diario de 16,765 vehículos y un total de 122, 469,678 vehículos en el diseño de la

vida del pavimento.

21

Se debe determinar una terminal de servicio del diseño, y a continuacion se

muestran los rangos:

Detalles de diseño

Dada la zona en la que se localiza el predio de análisis la terminal de servicio será

de 2.25 dado que es una carretera primaria la cual se complementa con arterias

menores y en el área se localizan diversos comercios y centros comerciales.

El diseño se realizara con una confiabilidad del 85%, con un VRS del 21%

22

Calculo de la resistencia de la subrasante y subbase combinada “Valor de K”

23

Como podemos observar, existen varios diseños que podríamos utilizar para

nuestro proyecto, la elección final se basará principalmente en la disponibilidad de

los materiales y en el costo de estos; a continuación se presentan las dos

propuestas de diseño:

CapaEspesores, en

cm

Carpeta Sub-base 41.27Subrasante 5

14.- CONCLUSIONES

24

Para el diseño del presente pavimento rígido se cuenta con amarres de acero de

12.7 cm como mínimo entre sus juntas y contara con una profundidad total en su

composición de 46.27 cm, para un periodo de diseño a 20 años.

Adicionalmente al análisis realizado existe la posibilidad diversos diseños, los

pudiesen ser diferentes en cualidades, materiales, y costos.

Para el pavimento flexible con pavimento las posibilidades pueden ser varias,

tanto como en los espesores necesarios como dentro de las capas que pueda

incluir el diseño.

En cuanto al diseño de pavimento con adoquín de concreto depende del tránsito

pesado dentro de la zona de estudio y de la calidad del terreno natural.

25

ANEXO

AFORO VEHICULARTOMADO DE REFERENCIA AL ESTUDIO

DE IMPACTO VIAL REALIZADO

Aforos realizados el día lunes 23 de febrero del 2015 durante las horas de

demanda máxima (HDM) de 08:00-09:00, 12:00-13:00, 16:00-17:00 y de 19:00-

20:00 horas de Boca del Río Veracruz.

Máximo aforo vehicular HMD: 1462 vehículos

Periodo de máximo aforo vehicular: 12:00-13:00

Máximo aforo vehicular en intervalo de 15 minutos: 380 vehículos

Intervalo de tiempo: 12:30-12:45

Composición de transito: 364 tipo “A y Ap”, 15 tipo “B”, y 1 tipo “C2”

26

Hora A y Ap B C2 C3 Total08:00-08:15 305 12 1 0 31808:15-08:30 293 15 0 1 30908:30-08:45 352 14 1 0 36708:45-09:00 337 20 0 0 357

Total 1287 61 2 1 1351

Ruíz Cortínez, sentido Norte-Sur, 08:00 a 09:00, Lunes 23 Febrero del 2015Estado del tiempo: nublado Estado del pavimento: seco


Total 1388 73 1 0 1462



Total 1246 66 0 0 1312



Total 1323 70 2 0 1395


Aforos realizados el día martes 24 de febrero del 2015 durante las horas de




27




Composición de transito: 382 tipo “A y Ap”, 17 tipo “B”.


Total 1352 70 1 0 1423

Ruíz Cortines, sentido Norte-Sur, 08:00 a 09:00, Martes 24 Febrero del 2015Estado del tiempo: nublado Estado del pavimento: seco


Total 1458 71 3 0 1532



Total 1309 69 0 0 1378

Estado del tiempo: nublado Estado del pavimento: secoRuíz Cortines, sentido Norte-Sur, 15:00 a 16:00, Martes 24 Febrero del 2015


Total 1389 60 1 0 1450


28

Aforos realizados el día miércoles 25 de febrero del 2015 durante las horas de







Composición de transito: 397 tipo “A y Ap”, 14 tipo “B” y3 tipo “C2”.


Total 1406 70 0 0 1476

Ruíz Cortines, sentido Norte-Sur, 08:00 a 09:00, Miércoles 25 Febrero del 2015Estado del tiempo: soleado Estado del pavimento: seco


Total 1516 64 4 0 1584



Total 1360 62 1 0 1423


29


Total 1445 70 2 0 1517


Aforos realizados el día jueves 26 de febrero del 2015 durante las horas de









Total 1210 72 3 0 1285

Ruíz Cortines, sentido Norte-Sur, 08:00 a 09:00, Jueves 26 Febrero del 2015Estado del tiempo: soleado Estado del pavimento: seco


Total 1304 66 0 0 1370


30


Total 1168 61 2 0 1231



Total 1244 70 0 0 1314


Aforos realizados el día viernes 27 de febrero del 2015 durante las horas de








31


Total 1331 64 2 1 1398

Ruíz Cortines, sentido Norte-Sur, 08:00 a 09:00, Viernes 27 Febrero del 2015Estado del tiempo: soleado Estado del pavimento: seco


Total 1434 57 0 0 1491



Total 1285 64 0 0 1349



Total 1369 58 1 0 1428


32

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