IINNSSTTIITTUUTTOO PPAARRAA EELL DDEESSAARRRROOLLLLOO DDEE LLOOSS
PPAAVVIIMMEENNTTOOSS EENN EELL PPEERRUU
1er Curso de Actualización de Conocimientos en
Pavimentos
LA NUEVA GUIA PARA EL DISEÑO
EMPIRICO-MECANISTICO DE
PAVIMENTOS
Parte 2 Capítulo 1 – Sub-rasante
20-21 de Mayo del 2,005
Local del Consejo Nacional del Colegio de Ingenieros del Perú
(Av. Arequipa 4947 – Miraflores)
Calle Barcelona Nº 571 – Lima 21 – Perú
Telf.: 51-1-4614673 / Fax: 51-1-2612764
E-mail: [email protected]
AACCLLAARRAACCIIOONN
Desde la aparición de la primera Guía AASHO para el Diseño de Estructuras de
Pavimentos en 1960, hasta la última versión publicada por la AASHTO en 1993, la “Guía”
como normalmente se la conoce, ha sido un documento fundamental para los ingenieros
civiles peruanos y de todo el mundo, no solo para su aplicación en el diseño de estructuras
nuevas o rehabilitadas de pavimentos flexibles, rígidos y de afirmado, sino también como
elemento de consulta y de base en la búsqueda de tecnologías propias sobre fundamentos
comprobados.
El 23 de Junio del 2,004, la AASHTO emitió un Memorando dirigido a todos los usuarios
interesados de los E.E.U.U. y del mundo, distribuyendo por Internet (www.trb.org/mepdg),
una versión descargable de la Guía Recomendada para el Diseño Empírico-Mecanicista de
Pavimentos, junto con un software, con el propósito de someterlos a pruebas y evaluación,
solicitando a los interesados, remitir los comentarios que se desprendieran de ellas al
NCHRP ([email protected]).
Consciente del interés que este documento suscitará entre los ingenieros peruanos, pero al
mismo tiempo conocedor de las limitaciones que tienen muchos de ellos con la literatura
técnica en lengua inglesa, el IDPP, cumpliendo con su Misión de contribuir a la
transferencia de tecnología y en el afán de cooperar con los propósitos de la AASHTO,
está organizando una serie de Cursos de Actualización de Conocimientos en Pavimentos,
basados en una versión libre en lengua española del documento expuesto en la red, la
misma que se irá produciendo específicamente para cada curso. El primero de estos cursos
se llevará a cabo el 20 y 21 de Mayo del 2,005 en el local del Consejo Nacional del
Colegio de Ingenieros del Perú y se denomina: La Nueva Guía AASHTO para el Diseño de
Estructuras de Pavimentos – Aspectos Básicos y está referido al Prólogo, el Capítulo 1 de
la PARTE I: Introducción y los Capítulos 1 y 2 de la PARTE II: Parámetros de Diseño-
Cimentaciones y Materiales.
En la versión libre en español que irá produciendo el IDPP, se ha cuidado de mantener el
formato del documento original para facilitar la lectura bilingüe, preservando las siglas en
inglés para facilitar el uso del software. Asimismo, se añade una página que no figura en el
documento original, con el significado de las siglas para facilidad del usuario y anotaciones
a pie de página con referencia a normas peruanas y aclaraciones de interés para el lector.
No se han traducido las partes referentes a los pavimentos de concreto con refuerzo
continuo (CRCP por sus siglas en inglés), por no ser de aplicación en el país.
El IDPP es consciente del carácter provisional del documento aparecido en la red, no
obstante, considera que la versión final no diferirá sustancialmente de la recientemente
aparecida, por lo que estima que un conocimiento oportuno de los antecedentes y
principios básicos de los conceptos del diseño Empírico-Mecanicista, así como una
discusión sobre cuales de ellos podrán aplicarse de manera efectiva para las condiciones
prevalecientes en el Perú, serán de gran utilidad a la ingeniería nacional.
Ingº Germán Vivar Romero
Director Ejecutivo
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de Pavimentos. ASPECTOS BASICOS-PARAMETROS DE DISEÑO: SUB-RASANTE/CIMENTACION
IDPP Mayo del 2,005
2.1.3
PARTE 2 – PARAMETROS DE DISEÑO
CAPITULO 1
PARAMETROS DE DISEÑO: SUB-RASANTE / SUELO DE
FUNDACION1
Este capítulo proporciona procedimientos y recomendaciones-guía para determinar los
parámetros de diseño de los suelos de sub-rasante o de fundación para su uso en el diseño
de pavimentos. El capítulo está dividido en cuatro secciones: caracterización de los suelos
de cimentación del pavimento, exploraciones subterráneas, ensayos de laboratorio y
mejoras y refuerzos del suelo de fundación.
2.1.1 CARACTERIZACION DEL SUELO DE FUNDACION DEL PAVIMENTO
El suelo de fundación debe estar caracterizado, independientemente de si el procedimiento
de diseño va a ser aplicado a un pavimento existente o a un pavimento nuevo. El soporte de
pavimentos nuevos y existentes es el suelo de fundación o plataformado, toda vez que el
espesor y las propiedades de todas las capas por encima de este nivel van a ser
determinadas o analizadas como parte del proceso de diseño.
El grupo básico de datos de entrada para caracterizar la sub-rasante o el suelo de fundación
es el mismo para el diseño de pavimentos flexibles y rígidos. Si no se dispone de datos
suficientes para caracterizar el suelo de fundación, el diseñador del pavimento puede usar
los valores por defecto proporcionados en la Guía. Esto se permite para el uso de las
metodologías jerárquicas de diseño, discutidas en la sección previa, minimizando de esta
manera los cosos de la agencia, pero incrementando el riesgo de sobre-dimensionar la
estructura del pavimento.
Existen diferentes métodos alternativos para la caracterización de la sub-rasante o del suelo
de fundación, los que incluyen:
Ensayos de laboratorio sobre muestras de campo inalteradas o reconstituidas,
tomadas en el proceso de exploración subterránea.
Ensayos no destructivos sobre los pavimentos existentes con materiales similares
de sub-rasante.
Ensayos de penetración tales como el Penetrómetro Dinámico de Cono2 (DCP por
sus siglas en inglés).
Apoyo en la experiencia de una agencia con el tipo de sub-rasante en cuestión.
Todas esas alternativas están cubiertas por la Guía; sin embargo, se recomiendan los
ensayos de laboratorio y los ensayos no destructivos (NDT por sus siglas en inglés) como
los métodos principales de caracterización. La experiencia de una agencia puede y debería
ser complementada por esos dos métodos. Se puede usar la Síntesis 278 de la NCHRP,
Medición In-situ de las Propiedades de los Suelos de Sub-rasante de Pavimentos (1) y la
Síntesis 247 de la NCHRP, Estabilización de Sub-rasantes Existentes para Mejorar la
Constructibilidad Durante la Reconstrucción de Pavimentos Interestatales, para
1 Nota del IDPP: Se denomina indistintamente Suelo de Fundación para diferenciarlo del Suelo de
Cimentación: aquél que sirve de apoyo a las obras de cimentación. 2 Nota del IDPP: No confundir con la norma NTP 339.159 (2001) Método de Ensayo Normalizado para la
Auscultación con Penetrómetro Dinámico Ligero de Punta Cónica, referido a cimentación de edificaciones.
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2.1.4
complementar la información presentada (2). También debería usarse la experiencia de la
agencia para seleccionar las técnicas de mejoramiento de la sub-rasante frente a problemas
de suelos únicos en su región, tales como suelos colapsables, expansivos, susceptibles al
congelamiento y saturados.
La Guía también señala las diferencias potenciales entre los métodos alternativos de
caracterización del suelo de cimentación. En dos documentos de la FHWA (3, 4), se
presentan y discuten las diferencias potenciales entre los módulos resilientes de los suelos
de fundación o de sub-rasante, determinados por retro análisis o medidos en el laboratorio.
El punto más importante para la caracterización de la fundación es que los valores o
parámetros de diseño determinados por diferentes métodos son diferentes y esa diferencia
debe ser reconocida en el proceso de diseño.
La caracterización del soporte como se usa en este contexto, se refiere al proceso de
caracterización de las propiedades de los estratos de suelo existente y los materiales
nuevos o existentes que conforman el pavimento. Esos materiales incluyen las capas
superficiales, las capas de base y sub-base y otros aspectos especiales del pavimento. En la
PARTE 2 Capitulo 2, se describen con gran detalle, aspectos especiales de los
requerimientos de caracterización de cada material del pavimento. Las técnicas de
caracterización de los materiales del pavimento y de los suelos de sub-rasante serán
jerárquicas, yendo desde valores por defecto hasta ensayos de campo y laboratorio para
proyectos críticos.
El módulo resiliente estratificado (específicamente el módulo resiliente o aproximaciones
del módulo de elasticidad o módulo de Young), es la propiedad requerida para el análisis y
el diseño de pavimentos. Se pueden usar tres métodos básicos para obtener el módulo
resiliente de cada capa estructural en el pavimento:
Ensayos de laboratorio del módulo resiliente bajo cargas repetidas.
Retro análisis de los datos obtenidos a partir de NDT.
Correlaciones con otras propiedades físicas de los materiales.
Para todos los diseños nuevos, principalmente en proyectos críticos, se necesitan ensayos
del módulo resiliente bajo cargas repetidas, para evaluar los efectos de los cambios en la
humedad sobre el módulo resiliente de un suelo en particular. Para medir el módulo
resiliente de un suelo en el laboratorio, se debe usar la última versión de la AASHTO 307,
Módulo Resiliente de Materiales Granulares no Ligados de Base/Sub-base y Suelos de
Sub-rasante. Sin embargo, también se puede usar el procedimiento de ensayo del módulo
resiliente contenido en el Proyecto 1-28A de la NCHRP. Hay diferencias entre los dos
procedimientos y el diseñador debe ser prudente para asegurar que los valores usados sean
consistentes con sus procedimientos locales de calibración. Para el diseño de
rehabilitaciones, sin embargo, se sugiere el uso del módulo elástico obtenido por retro-
análisis para caracterizar la estructura existente y la cimentación, debido a que proporciona
datos de las características de respuesta de los suelos y condiciones in-situ. El ASTM D
4694 (Deflexiones con un Dispositivo de Carga por Impulsos del Tipo Falling Weight) y el
ASTM D 4695 (Guía para la Medición General de las Deflexiones en Pavimentos), son
estándares que se pueden usar para medir los cuencos de deflexión a lo largo de un camino
existente. El ASTM D5858 (Guía para Calcular el Módulo Elástico Equivalente In-situ
de Materiales de Pavimentos, Usando la Teoría Elástica de Capas) es un estándar que
puede seguirse para el retro análisis del módulo elástico estratificado a partir de los datos
de las cuencas de deflexión. Tanto los procedimientos de laboratorio como los NDT se
pueden usar para obtener el módulo resiliente de los suelos de cimentación, necesario para
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2.1.5
el diseño. En la PARTE 2, Capítulo 2 se discute el método usado para determinar el
módulo resiliente.
2.1.2 CARACTERIZACION SUBTERRANEA PARA EL DISEÑO DE
PAVIMENTOS
Durante el proceso de diseño del pavimento, se deben considerar las variaciones horizontal
y vertical en los diferentes tipos de suelos subterráneos, contenidos de humedad,
densidades y profundidades de la napa freática. Esos elementos se pueden cuantificar por
medio de la implementación de programas de ensayos de campo (investigación
subterránea) y laboratorio apropiados. Más importante aún, se debe identificar y considerar
condiciones subterráneas especiales tales como suelos expansivos y suelos susceptibles al
congelamiento. Esta sección de la Guía da lineamientos para identificar y manejar esas
condiciones subterráneas especiales. Específicamente se proporciona recomendaciones
mínimas para determinar el perfil del suelo subterráneo, las condiciones y el módulo
resiliente de diseño.
2.1.2.1 Exploración Subterránea
El objetivo de la investigación subterránea o exploración de campo es obtener suficiente
información subterránea que permita la selección de los tipos, ubicaciones y dimensiones
principales de las cimentaciones para todos los caminos que comprenden el proyecto
propuesto, proporcionando así una información adecuada para estimar sus costos. Más
importante aún, esas exploraciones deberán identificar el sitio con suficiente detalle para el
desarrollo de diseños de pavimentos factibles de ejecutar y de buen costo-efectivo.
La investigación subterránea para cualquier proyecto deberá ser suficientemente detallada
para definir la profundidad, espesor y área de los principales estratos de suelos y rocas que
afectarán la construcción o impondrán problemas especiales para la construcción y el
comportamiento a largo plazo de la estructura del pavimento. Se deben obtener muestras
alteradas e inalteradas para los análisis de laboratorio (y/o para ser ensayadas en el campo),
con el objeto de determinar sus propiedades de ingeniería. La extensión del programa de
laboratorio depende de la naturaleza del proyecto y de las condiciones subterráneas del
sitio. Así, para comenzar el proceso, se debe establecer un programa de investigaciones y
muestreo a fin de asegurar que se pueda preparar un perfil vertical y horizontal con las
diferentes condiciones de suelos.
Para adquirir daros confiables de ingeniería, se debe explorar y analizar cada sitio, de
acuerdo con sus condiciones subterráneas. El ingeniero encargado de la exploración
subterránea debe proporciona datos completos, de tal manera que se pueda llevar a cabo un
estudio completo e imparcial de los diseños de pavimentos. A continuación se dan algunos
pasos sugeridos:
1. Hacer una investigación completa de las condiciones topográficas y subterráneas.
2. Llevar a cabo perforaciones exploratorias a espaciamientos y hasta profundidades
prescritas por el ingeniero3. El espaciamiento y la profundidad de esas
perforaciones depende de la variabilidad de las condiciones existentes del suelo,
tanto vertical como horizontalmente. Esas perforaciones deberán usarse también
para determinar la profundidad del nivel freático. Tomar muestras suficientes y
3 Nota del IDPP: Puede ser mediante calicatas o trincheras. Ver también MTC E 102-1999 y NTP 339.161
(2001).
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2.1.6
apropiadamente representativas de todas las capas de suelos, por medio de
posteadoras, tubos o muestras inalteradas4. Las muestras de suelos deberán ser
apropiadamente selladas y almacenadas para prevenir pérdidas de humedad antes
de los ensayos de laboratorio. Preparar registros de los sondajes y perfiles de suelos
a partir de estos datos.
3. Clasificar todos los suelos según los sistemas de clasificación AASHTO (o
Unificado5). La Tabla 2.1.1 relaciona la Clasificación Unificada de Suelos con su
valor relativo como material para ser usado en pavimentos.
4. Se deben utilizar los ensayos de humedad-densidad para determinar las
características de compactación de terraplenes y/o suelos superficiales y materiales
no tratados de pavimentación. Se debe usar la norma AASHTO T99 Relaciones
Humedad/Densidad de Suelos Usando un Martillo de 2.5 kg (5.5 lbs) y 305 mm
(12 pulgadas) de Caída,6 para suelos de gradación fina, de mediana a alta
plasticidad, mientras que para suelos de gradación gruesa y baja plasticidad se debe
usar la norma AASHTO T180 Relaciones Humedad/Densidad de Suelos Usando
un Martillo de 4.54 kg (10 lbs) y 457 mm (18) pulgadas de Caída.7 El grado de
compactación requerido para la densidad in-situ deberá expresarse como un
porcentaje de la máxima densidad del procedimiento de ensayo especificado.
5. Examinar los registros de las perforaciones, perfiles de suelos y ensayos de
clasificación y seleccionar las capas de suelos representativas para los ensayos de
laboratorio. Llevar a cabo ensayos del módulo resiliente con carga repetida para
determinar el módulo resiliente para un rango de estados de esfuerzos, de acuerdo
con la última versión de AASHTO T 307. Determinar el módulo resiliente in-situ
para cada tipo de suelo principal encontrado, usando el procedimiento documentado
en el reporte FHWA-RD-97-083 (5).
6. Usar el perfil de suelo a lo largo del alineamiento de la carretera para relacionar el
módulo resiliente con cada estrato de suelo encontrado. Seleccionar un módulo
resiliente de la sub-rasante que sea representativo de cada tipo de suelo y
profundidad. El módulo resiliente de la sub-rasante y otros parámetros de diseño
dependen del modelo de respuesta usado y de la ecuación constitutiva del suelo de
sub-rasante. Eso se discute en la PARTE 2, Capítulo 2 de esta Guía. También se
permiten los ensayos de penetración estándar8 y de penetración dinámica de cono
9,
debido a que proporcionan información adicional para determinar las características
de resistencia in-situ de los suelos.
2.1.2.2 Ubicación y Profundidad de los Sondeos
Independientemente del tipo de proyecto, los sondeos deberán estar espaciados de tal
forma que se establezca la estratigrafía de los suelos con un grado razonable de detalle. Los
sondeos también deberán estar localizados para obtener un conocimiento básico de las
propiedades ingenieriles de la sobrecapa de suelo y del basamento rocoso que afectarán o
tendrán algún efecto sobre la estructura propuesta del pavimento y para localizar y
determinar la calidad y cantidad aproximada de materiales de construcción, de ser
requerido.
4 Nota del IDPP: ver MTC E126 y 127-1999, así como NTP 339.169 (2002).
5 Nota del IDPP: ver NTP 339.134 y 135 (1998).
6 Nota del IDPP: ver también MTC E116-1999 y NTP 339.142 (1999).
7 Nota del IDPP: ver también MTC E115-1999 y NTP 339.141 (1999).
8 Nota del IDPP: ver también MTC E119-199 y NTP 339.133 (1998).
9 Nota del IDPP: Se refiere al DCP, no al Cono Tipo Peck de la Norma E-050: Suelos y Cimentaciones. Ver
también Nota 2 a pie de página.
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2.1.7
Tabla 2.1.1. Resumen de las Características de Suelos como Material de Pavimentación10
Divisiones Nombre Resistencia Acción Compresibilidad Características
Principales sin acción Potencial & Expansión de Drenaje
del hielo Heladas
GW Gravas bien gradadas o mezclas Excelente Ninguna a Casi ninguna Excelente
grava-arena. Pocos o sin finos muy ligera
Gravas y Gravas pobremente gradadas Buena a Ninguna a Casi ninguna Excelente
Suelos o mezclas gravo-arenosas, con Excelente muy ligera
Gravosos pocos o sin finos
GP Gravas limosas y mezclas Buena a Ligera a Muy ligera Regular a
grava-arena limosa Excelente Media Pobre
Buena Ligera a Ligera Pobre a práctica-
*d Media mente impermeable
GM ---- Gravas arcillosas o mezclas Buena Ligera a Ligera Pobre a práctica-
u grava-arena-arcilla Media mente impermeable
GC
SW Arenas bien gradadas o arenas Buena Ninguna a Casi Excelente
Gravosas. Pocos o sin finos muy ligera Ninguna
Arenas Arenas pobremente gradadas Regular a Ninguna a Casi Excelente
y suelos o arenas-gravosas. Pocos o sin Buena muy ligera Ninguna
arenosos finos
SP Arenas limosas y mezclas Regular a Ligera a Muy ligera Regular a
arena-limo Buena Alta Bueno
Regular Ligera a alta Ligera a media Pobre a práctica-
mente impermeable
*d Arenas arcillosas y mezclas Pobre a Ligera a alta Ligera a media Pobre a práctica-
SM--- arena-arcilla Regular mente impermeable
u
SC
Limos y Limos inorgánicos y arenas Pobre a Media a Ligera a media Regular a pobre
Arcillas con muy finas, polvo de roca, are regular muy alta
LL < 50 na fina limosa o arcillosa o li
mos arcillosos de baja plastic.
Arcillas inorgánicas de baja a Pobre a Media a Ligera a media Pobre a práctica-
media plasticidad, arcillas gra regular muy alta mente impermeable
vosas, arcillas arenosas, arci-
llas limosas, arcillas pobres.
Limos orgánicos y arcillas limo Pobre Media a alta Media a alta Pobre
sas orgánicas. Baja plasticidad
Limos y Limos inorgánicos, arena fina Pobre Media a Alta Regular a pobre
Arcillas con micácea y diatomácea, o sue- muy alta
LL>50 los limosos, limos elásticos
Arcillas inorgánicas de alta Pobre a Media a Alta Prácticamente
plasticidad, arcillas grasas regular muy alta impermeable.
Arcillas orgánicas de media a Pobre a Media Alta Prácticamente
alta plasticidad muy pobre impermeable
Suelos alta- Turbas y otros suelos altamen- No apropiado Ligera Muy alta Regular a
mente orgá- te orgánicos pobre.
nicos.
10
La información presentada está adaptada de las publicaciones del U.S. Army Corps of Engineering,
Federal Aviation Administration y la Federal Highway Administration.
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2.1.8
2.1.2.3 Número o Espaciamiento de los Sondeos
El número y espaciamiento de los sondeos deberá ser consistente con el tipo y magnitud
del proyecto y con la naturaleza de las condiciones subterráneas. No pueden establecerse y
no deberían establecerse reglas rígidas para el número y espaciamiento de los sondeos. En
general, se debe poner énfasis en localizar los sondeos con el objeto de desarrollar
secciones geológicas representativas y típicas. El espaciamiento entre sondeos depende de
la variabilidad subterránea del sitio del proyecto y de manera típica varía entre 150 m y
450 m.
El Servicio de Conservación de los Recursos Naturales del Departamento de Agricultura
de los E.E.U.U., en cooperación con las Estaciones Agrícolas Experimentales Estatales y
otras Agencias Estatales y Federales, han estado haciendo investigaciones de suelos y
publicándolas desde 1899. Un producto muy importante de este esfuerzo son los mapas
municipales de suelos, los mismos que proporcionan una visión espacial de las series de
suelos dentro de un condado. Tal información es de utilidad en el planeamiento de las
actividades de exploración de suelos.
2.1.2.4 Profundidad de los Sondeos
No se pueden establecer reglas rígidas para el espaciamiento de los sondeos, tampoco se
pueden establecer reglas estrictas para determinar la profundidad a la que se deben perforar
los sondeos. Sin embargo, existen reglas generales disponibles para el planeamiento de las
exploraciones. Los dos principales factores que controlan la profundidad de los sondeos
son: la magnitud y distribución de las cargas del tráfico impuestas sobre la estructura del
pavimento en consideración y la naturaleza de las condiciones subterráneas.
Las profundidades de exploración programadas a lo largo del alineamiento de una carretera
dependen del conocimiento de las condiciones subterráneas en base a las investigaciones
geológicas de suelos y exploraciones previas y al perfil previsto para la superficie del
pavimento. En áreas de cortes y rellenos ligeros, sin problemas especiales, las
exploraciones deben extenderse un mínimo de 1.50 m por debajo de la elevación de la
rasante propuesta. Algunos sondeos se pueden extender hasta 6 m por debajo de la
elevación de la rasante propuesta. Sin embargo, donde se van a hacer cortes profundos,
donde se van a construir grandes terraplenes, o donde la exploración subterránea indica la
presencia de estratos débiles (o saturados), se debe incrementar la profundidad de los
sondeos. En estos casos, la profundidad debe ser lo suficientemente profunda para
proporcionar información respecto de la estabilidad, asentamientos y drenaje.
Todos los sondeos deberán atravesar estratos de suelos no apropiados (por ejemplo,
rellenos inconsolidados, materiales altamente orgánicos, o suelos sueltos de gradación
fina), hasta alcanzar materiales relativamente duros o compactos de capacidad portante
apropiada. Los sondeos en estratos de granos finos, potencialmente compresibles y gran
espesor, deberán extenderse hasta una profundidad donde el esfuerzo impuesto por las
cargas de tráfico o por el peso de un gran terraplén sea tan pequeño, que la consideración
del asentamiento superficial no tendrá una influencia significativa. Donde se encuentren
suelos rígidos o compactos en superficie y se conozcan las características y ubicación de la
roca, los sondeos deberán extenderse hasta la roca sana. Donde las características y
ubicación de la roca sean desconocidos o donde se espera hallar bolonería o materiales
irregularmente intemperizados, se deberá incrementar la penetración del sondeo en la roca.
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2.1.9
2.1.2.5 Tipo de Muestras y Recuperación de Muestras
La mayoría de las muestras tomadas serán del tipo alterada o disturbada, tales como las
obtenidas de los tubos de perforación. Esto permite una identificación y clasificación
visual de los suelos encontrados11
, así como la identificación por medio del tamaño del
grano, contenido de humedad y ensayos de los límites de Atterberg12
.
El muestreo en cada ubicación de sondeo puede ser continuo o intermitente. En el primer
caso, las muestras se obtienen a lo largo de toda la perforación; en el último (usado
principalmente en áreas de cortes profundos), las muestras se toman cada 1.50 m y cada
cambio de material. Inicialmente es preferible tener unas pocas perforaciones con muestreo
continuo de tal forma que se puedan identificar los principales estratos de suelos. Donde
las condiciones lo permitan, se debe procurar un 100 por ciento de recuperación de
muestras. La extensión vertical y horizontal de esos estratos se puede establecer luego por
muestreo intermitente en perforaciones posteriores, de ser necesario.
Para alcanzar un conocimiento básico de las propiedades ingenieriles de los suelos que
tendrán efecto sobre los diseños, se deben tomar, de ser posible, muestras inalteradas (tales
como las obtenidas en muestreadores de pared delgada, o en muestreadores de roca de
doble tubo). El número obtenido debe ser suficiente para obtener información de la
resistencia al corte, características de consolidación y módulo resiliente de los principales
estratos de suelos. Si no se pueden tomar muestras inalteradas, se deberán tomar muestras
alteradas. Las muestras disturbadas se obtienen de muestreadotes de caña partida. Las
muestras disturbadas permiten la identificación visual y clasificación de los materiales
encontrados, así como la identificación por medio del tamaño de los granos, contenido de
humedad y limites de Atterberg.
Las muestras inalteradas deberán cumplir con los siguientes criterios:
1. Los lados de las muestras deberán ser rectos o perpendiculares a un plano
horizontal y no contener distorsiones visibles de los estratos, grietas horizontales
del proceso de extracción, o ablandamiento de materiales.
2. La tasa de recuperación especifica (longitud de la muestra inalterada recuperada
dividida entre la longitud total de la muestra extraída) deberá exceder el 95%.
3. Las muestras deberán tomarse con un muestreador que tenga una relación de área
(área de la sección transversal del tubo de muestreo dividida entre el área total o
diámetro exterior del muestreador), menor del 15%.
En los estratos de suelos cohesivos, se debe obtener por lo menos una muestra inalterada
representativa de cada perforación por cada 1.50 m de profundidad, o inmediatamente
debajo de la superficie prevista para la sub-rasante. En el estándar AASHTO T207
Muestreo de Suelos en Tubos de Pared Delgada,13
se describen los procedimientos
recomendados para obtener muestras inalteradas. Todas las muestras (alteradas e
inalteradas) y testigos deberán ser envueltos o sellados para evitar las pérdidas de
humedad, colocados en cajas protectoras y transportados al laboratorio para ensaye y
observaciones visuales.
2.1.3 ENSAYOS DE LABORATORIO SOBRE SUELOS DE SUB-RASANTE
11
Nota del IDPP: ver NTP 339.150 (2001). 12
Nota del IDPP: ver MTC E110 y 111-199 y NTP 339.129 (1998). 13
Nota del IDPP: ver también MTC E120-199 y NTP 339.169 (2002).
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2.1.10
Una vez en el laboratorio, se debe revisar e identificar las muestras de suelos para
clasificación y ensayo del módulo resiliente. Los especimenes inalterados deberán estar
libres de defectos visuales y representar su condición natural (contenido de humedad y
densidad). Los especimenes disturbados o reconstituidos, deberán ser totalmente
recompactados hasta una condición lo mas cercana posible de la natural.
Se deberá llevar a cabo un programa de ensayos de laboratorio sobre las muestras
representativas de los suelos de cimentación a ser usados como materiales de construcción
de tal forma que se puedan determinar las propiedades pertinentes.
La extensión de los ensayos de laboratorio depende de cuan crítico sea el diseño y de la
complejidad de las condiciones del suelo. En la Tabla 2.1.2, se listan los ensayos y análisis
de laboratorio requeridos típicamente para el análisis y la selección del tipo de pavimento y
sus espesores.
Tabla 2.1.2 Requerimientos mínimos de ensayos de laboratorio para diseños de
pavimentos
Tipo de ensayo de laboratorio Cortes profundos Terraplenes altos A nivel
Contenido de Humedad y Peso
Unitario seco X X
Limites de Atterberg X X X
Gradación X X
Hinchamiento y Contracción X X
Permeabilidad X
Consolidación X
Resistencias al Corte y Portante X X X
Módulo Resiliente X X X
2.1.3.1. Número de Especimenes de Ensayo
El número de especimenes de ensayo depende del número de suelos diferentes
identificados en las perforaciones, así como de las condiciones de esos suelos. La mayor
parte de los especimenes de ensayo deberá tomarse tan cerca como sea posible de la parte
superior de la sub-rasante, hasta una profundidad de 0.60 m por debajo de la elevación
prevista de la sub-rasante. Sin embargo, se debe realizar algunos ensayos sobre los suelos
encontrados a mayor profundidad, especialmente si estos suelos son los más blandos o
débiles. No hay guías respecto del número de ensayos, excepto que todos los tipos de
suelos principales encontrados cerca de la superficie, deben, de ser posible, ensayarse por
duplicado. Dicho de modo simple, se deben hacer ensayos del módulo resiliente sobre
todos los suelos que tengan impacto sobre el comportamiento del pavimento.
Otro punto importante para recordar en la selección del número de especimenes a ser
ensayados, es que el módulo resiliente medido en ensayos de cargas repetidas, puede tener
gran variabilidad. No es poco frecuente un coeficiente de variación del 25% para el
módulo resiliente medido al mismo estado de esfuerzos. Esta potencial alta variabilidad en
los resultados de los ensayos, amerita un gran número de ensayos (es decir, más de dos
ensayos del módulo resiliente para el mismo tipo de suelo). Como una guía general, se
deben realizar tres ensayos del módulo resiliente sobre el principal suelo de sub-rasante
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encontrado a lo largo del alineamiento de la carretera. Si la variabilidad de los resultados
de los ensayos (módulo resiliente medido al mismo estado de esfuerzos), excede un
coeficiente de variación de 25 por ciento, se deben hacer ensayos adicionales del módulo
resiliente para obtener una mayor confiabilidad en los datos.
2.1.3.2 Tipos de Ensayos de Laboratorio
Ensayos de Clasificación
Todas las muestras deberán clasificarse visualmente cuando se reciben en el laboratorio y
se deberá medir su contenido natural de humedad14
, a menos que se trate de arenas y
gravas limpias. La clasificación descriptiva y los datos del contenido natural de humedad
son la base para elaborar los registros de la perforación. Normalmente, los ensayos de
identificación, consistentes en los Límites de Atterberg y el análisis granulométrico se
llevarán a cabo en un número suficiente de muestras representativas de las perforaciones,
para mostrar la variación general de esas propiedades dentro de los estratos del suelo de
cimentación. A continuación se dan los ensayos que deben llevarse a cabo para clasificar
cada estrato de suelo:
AASHTO T87, Preparación Seca de Muestras de Suelos Alterados y Muestras de
Suelos de Agregados para Ensaye.15
AASHTO T 88, Análisis del Tamaño de las Partículas de Suelo.16
AASHTO T89, Determinación del Límite Líquido de los Suelos.17
Esos ensayos de identificación también permiten usar los datos para correlacionarlos con
los resultados de ensayos más caros de corte y consolidación. Las muestras seleccionadas
para los ensayos de los límites de Atterberg y análisis granulométricos deben ser
representativas de las ubicaciones a fin de asegurar que se obtenga una cantidad óptima de
información de los ensayos. Por lo menos se debe hacer una determinación de los límites
de Atterberg y de gradación sobre cada estrato de suelo principal.
Ensayos de Hinchamiento-Contracción
Donde la falla de los pavimentos y la resultante de hinchamiento o contracción del suelo de
sub-rasante pueda ser un problema, se deberá hacer ensayos para simular, de manera tan
cercana como sea posible, la secuencia de carga prevista en el campo. Así, para determinar
el hinchamiento a cualquier profundidad, se permite que el suelo hinche. Los ensayos para
determinar los cambios de volumen debido a la contracción, se realizan normalmente como
una contracción lineal o volumétrica. Se puede usar el AASHTO T92, Determinación de
los Factores de Contracción del Suelo,18
para medir la contracción lineal del suelo,
mientras que se puede usar el AASHTO T258, Determinación de la Expansividad de los
Suelos, para identificar suelos expansivos y la cantidad de expansión bajo diferentes
condiciones.
Ensayos de Permeabilidad
14
Nota del IDPP: ver MTC E108-1999 así como NTP 339.127 (1998) y NTP 339.160 (2001). 15
Nota del IDPP: ver también MTC E106-1999 y NTP 339.090 (1998). 16
Nota del IDPP: ver también MTC E109-1999 y NTP 339.128 (1998). 17
Nota del IDPP: ver también MTC E110-1999 y NTP 339.129 (1998). 18
Nota del IDPP: ver también MTC E112-1999 y NTP 339.140 (1999).
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Los ensayos de permeabilidad en laboratorio, muy rara vez se justifican en problemas de
cimentación de pavimentos. Una posible excepción es cuando se trata sobre las
capacidades de drenaje libre del suelo de cimentación existente, para tomar decisiones
sobre si se requiere o no de un drenaje horizontal. Cuando se requieren valores de
permeabilidad de laboratorio (principalmente por condiciones donde se pueda requerir el
abatimiento del nivel freático), se deben realizar los ensayos sobre muestras representativas
de los estratos que conforman el suelo de cimentación. Estos ensayos deberán realizarse de
acuerdo con AASHTO T215, Permeabilidad de Suelos Granulares (Carga Constante).19
Ensayos de Consolidación
Se deben realizar ensayos de consolidación sobre muestras representativas de los diferentes
estratos de suelos de cimentación compresibles donde el asentamiento sea un factor
significativo y no se pueda estimar el asentamiento a partir de correlaciones existentes.
Las muestras para los ensayos de consolidación se deben seleccionar del medio de cada
estrato compresible. Se deberá incluir información respecto de la presión de tapada,
presión de excavación y secuencia de carga. Las cargas del ensayo deben ser
suficientemente altas para definir la porción recta de la curva presión-relación de vacíos
sobre un diagrama semi-logarítmico. Los ensayos deberán realizarse de acuerdo con
AASHTO T216 Propiedades de Consolidación Unidimensional de los Suelos.20
Ensayos de Resistencia al Corte y Capacidad Portante
Las muestras seleccionadas para los ensayos de corte deben localizarse cuando sea posible,
cerca de las zonas donde se espera que se pueda presentar la falla. Para analizar la
estabilidad de los taludes de excavación propuestos, se deben realizar los ensayos en
aquellos estratos en los que se asume que contienen a la superficie de falla crítica. En
depósitos potentes de arcilla, las fallas de corte pueden ocurrir a gran profundidad y se
debe llevar a cabo un número suficiente de ensayos para determinar la resistencia del
estrato más profundo.
Para la mayor parte de los problemas de cimentaciones en pavimentos, se sugieren ensayos
de compresión no confinada o ensayos triaxiales no consolidados no drenados sobre
muestras de suelos cohesivos; los ensayos triaxiales consolidados no drenados se deben
llevar a cabo en limos y suelos intermedios entre arenas y arcillas, para determinar sus
características de resistencia. Para arenas limpias se puede asumir que su cohesión es cero
y se puede determinar su ángulo de fricción interna con un razonable grado de seguridad a
partir de los ensayos de penetración estándar. Los valores exactos de la cohesión y fricción
también se pueden determinar a partir de los resultados de ensayos triaxiales sobre arenas
limpias.
A continuación se da una lista de los ensayos que se pueden llevar a cabo para determinar
las propiedades resistentes de los suelos:
AASHTO T223, Resistencia al Corte por Veleta en el Campo para Suelos
Cohesivos.21
AASHTO T296, Método Estándar de Ensayo para la Resistencia a la Compresión
No Consolidada No Drenada de Suelos Cohesivos en Compresión Triaxial.22
19
Nota del IDPP: ver también NTP 339.147 (2000). 20
Nota del IDPP: ver también NTP 339.154 (2001). 21
Nota del IDPP: ver también MTC E122-1999y NTP 339.155 (2001). 22
Nota del IDPP: ver también MTC E131-1999 y NTP 339.164 (2001).
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AASHTO T297, Método Estándar de Ensayo para el Ensayo de Compresión
Consolidada No Drenada de Suelos Cohesivos.
Otro tipo de ensayo que se puede realizar en el campo para medir la resistencia de los
suelos in-situ es el penetrómetro dinámico de cono (DCP por sus siglas en inglés). Este
ensayo está siendo usado de manera más común para estimar la resistencia in-situ de suelos
de gradación fina y gruesa. El principio detrás del DCP es que existe una correlación
directa entre la resistencia de un suelo y su resistencia a la penetración por objetos sólidos
(1). El DCP consiste de un cono unido a una sarta de varillas que es guiado dentro del
suelo por medio de un martillo de caída libre a través de un eje-guía. La masa del martillo
puede estar entre 4.5 kg (10 lbs) y 8 kg (17.6 lbs), siendo el peso mas ligero aplicable a los
suelos mas blandos. Las versiones mas recientes del DCP tienen un ángulo del cono de 60º
y un diámetro de 20 mm (0.787 pulgadas) [después de (1)]. Existe un cierto número de
correlaciones entre el índice de penetración DCP (DPI por sus siglas en inglés) y los
parámetros de resistencia de la sub-rasante requeridos para el diseño empírico-mecanístico.
El ASTM recientemente ha estandarizado este ensayo como ASTM D6951-03, Método
Estándar de Ensayo para el Uso del Penetrómetro Dinámico de Cono en Aplicaciones
Superficiales de Pavimentos23
.
Ensayos del Módulo Resiliente Bajo Cargas Repetidas
Los ensayos del módulo resiliente bajo cargas repetidas se llevan a cabo en cada estrato
principal de suelos para caracterizar la sub-rasante con propósitos de diseño de
pavimentos. Este ensayo debe llevarse a cabo de acuerdo con la última versión de
AASHTO T307 o el NCHRP 1-28A, Método de Ensayo Armonizado para Suelos y
Materiales No Ligados. El propósito de este procedimiento de ensayo es determinar las
propiedades del módulo no lineal (módulo sensitivo al esfuerzo), de suelos y materiales de
cimentación, en una condición que simule la respuesta real de los suelos a las cargas
aplicadas por los neumáticos.
El ensayo es similar al ensayo estándar de compresión triaxial, excepto que el esfuerzo
vertical es cíclico a diferentes niveles, para modelar el efecto de la intensidad y duración de
las cargas de los neumáticos, típicas en un pavimento bajo cargas móviles. Se debe usar
una máquina triaxial con cargas repetidas, para simular las condiciones de campo. Los
parámetros que varían incluyen el esfuerzo vertical, la presión lateral (o de confinamiento),
el período de carga de 0.1 segundo hacia arriba, el período de reposo entre cargas cíclicas
aplicado sobre el espécimen, la secuencia de carga y los ciclos de carga antes de leer los
valores de ensayo.
El coeficiente elástico no lineal y los exponentes de la ecuación constitutiva del suelo
deben determinarse para cada espécimen de ensayo usando técnicas estándar de regresión,
a fin de asegurar que el coeficiente de correlación múltiple exceda de 0.9. En la PARTE 2,
Capítulo 2 se dan las ecuaciones constitutiva para todos los materiales granulares no
aglomerados de base y sub-base. Se pueden combinar los resultados de los ensayos del
módulo resiliente bajo cargas repetidas de suelos y condiciones del espécimen de ensayo
similares. La condición del espécimen de ensayo se discute en la siguiente sección.
Cuando se usa un método de elementos finitos para el modelo de respuesta estructural, los
valores-K derivados de ensayos de laboratorio, son los datos para ese modelo de respuesta
estructural. Sin embargo, cuando se usa una teoría elástica de capas, se usa un valor del
módulo resiliente para caracterizar el suelo de sub-rasante. Para determinar el módulo
23
Nota del IDPP: ver Nota 2 a pie de página.
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resiliente in-situ a partir de ensayos de compresión triaxial con cargas repetidas, se debe
estimar los esfuerzos totales lateral y vertical e incluir la presión de tierras en reposo. Para
determinar esos valores se deben asumir la densidad y el espesor de cada capa del
pavimento y un estrato de suelo en la sección transversal de prueba. Posteriormente en este
capítulo, se da un procedimiento paso-a-paso para estimar la condición de esfuerzos in-
situ.
Ensayos Especiales
Se requieren a menudo para estimar propiedades especiales de los suelos tales como
contenidos de materia orgánica24
y de carbonatos. El alcance de esos ensayos dependerá en
gran medida de la cantidad y tipo de información requerida y no se pueden establecer
reglas generales para esos tipos de ensayos. El suelo y agua subterráneos en algunas zonas
pueden contener sulfatos en cantidades suficientes para dañar el concreto de cemento
portland (PCC) de los pavimentos rígidos. Los sulfatos generalmente se encuentran en
suelos arcillosos y en las aguas ácidas de turbas. Se debe llevar a cabo un análisis químico
para determinar si se requiere tomar precauciones especiales. Algunos suelos tiene acción
corrosiva sobre los metales debido a los agentes químicos y bacteriológicos y se
encuentran disponibles ensayos especiales de laboratorio para determinar esta
característica.
2.1.3.3 Condición de los Especimenes para el Ensayo de Laboratorio del Módulo
Resiliente
La condición de los especimenes de ensayo se refiere a la densidad seca y al contenido de
humedad del espécimen. Se pueden usar dos tipos de especimenes de laboratorio en la
determinación del módulo resiliente del suelo de cimentación: no disturbados y disturbados
(recompactados). Donde sea posible se deben usar muestras de suelos no disturbados
tomadas con tubos Shelby de pared delgada, especialmente en estratos de suelos debajo de
una profundidad a la que no serán alterados por las operaciones de construcción. La
densidad seca y el contenido de humedad de muestras no disturbadas, son los mismos que
los hallados durante las operaciones de muestreo. Infortunadamente, la variabilidad en los
resultados de los ensayos de especimenes no disturbados de un mismo tipo de suelo, puede
ser muy alta, debido a las diferencias en las densidades secas y contenidos de humedad que
pueden existir a lo largo de una carretera (tanto vertical como horizontalmente). Los
incrementos en la variabilidad requieren incrementar la frecuencia de los ensayos para
lograr confiabilidad en los datos.
Más importante aún, el contenido de humedad de algunos suelos de gradación fina puede
incrementarse significativamente después de la construcción del pavimento. En este caso,
el módulo resiliente medido al contenido de humedad durante el muestreo puede no ser
representativo de la condición real algunos años después de la construcción. Este cambio
debe considerarse en la selección del módulo resiliente para el diseño estructural del
pavimento. Esta condición se discute con más detalle en la PARTE 2, Capítulo 3.
Para el estrato superficial de suelo que es remezclado y recompactado antes de la
colocación de alguna capa del pavimento, se deben usar muestras disturbadas en el
programa de ensayos del módulo resiliente. El remezclado y recompactado de los
especimenes de ensayo no disturbados (especialmente de algunas arcillas), incluso al
mismo contenido de humedad y a la misma densidad seca, pueden alterar
24
Nota del IDPP: ver MTC E118-1999 Materia Orgánica en Suelos (Pérdida por Ignición)
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significativamente los resultados de los ensayos del módulo resiliente, en comparación con
los especimenes de ensayo no disturbados. Los especimenes pueden compactarse en el
laboratorio a la misma densidad seca, pero a diferentes contenidos de humedad para el
ensayo del módulo resiliente. Luego se puede determinar este para diferentes contenidos de
humedad.
Obviamente el contenido de humedad puede medirse en muestras de suelos recuperadas de
las perforaciones. La pregunta importante a ser respondida es: ¿Cuál será el contenido de
humedad para una estación o tiempo particulares? Esta es una pregunta difícil de
responder, incluso con un nivel moderado de confianza.
La densidad usada en el programa de ensayos del módulo resiliente debe ser la densidad
in-situ después de la construcción. El contenido de humedad de los suelos debajo de las
estructuras del pavimento varía estacionalmente y es el parámetro más difícil de predecir.
Para algunos suelos sin cohesión, el contenido de humedad podría decrecer y crecer a
partir del óptimo contenido de humedad, dependiendo de las características del drenaje
superficial y subterráneo y de la cantidad de lluvias en el sitio. Para algunos suelos
cohesivos (por ejemplo las arcillas expansivas), los contenidos de humedad debajo del
pavimento tienden a incrementarse a valores por encima del óptimo. El Modelo Climático
Integrado Realzado (EICM por sus siglas en inglés), estima la variación estacional en el
contenido de humedad del suelo de sub-rasante, así como en las capas granulares del
pavimento (6). Así, el contenido de humedad a ser usado en el ensayo del módulo
resiliente debe ser representativo de la condición de humedad durante la construcción.
2.1.3.4 Selección del Módulo Resiliente In-situ para Estratos de Suelo
Para determinar el módulo resiliente in-situ a partir de ensayos de laboratorio de
compresión triaxial con carga repetida, se deben conocer los esfuerzos totales lateral y
vertical e incluir la presión de tierras en reposo. Para determinar esos valores se debe
conocer o asumir la densidad y el espesor de cada capa de pavimento y estrato de suelos
por encima del punto de determinación del módulo resiliente. El siguiente es un
procedimiento paso-a-paso que puede seguirse:
1. Estimar el coeficiente de presión de tierras en reposo, k0, del estrato de suelo para el
que se requiere conocer el módulo resiliente. Para suelos cohesivos (tal como
arcillas), el coeficiente de presión de tierras en reposo, normalmente se considera
una función del coeficiente de Poisson y es:
k0 = (2.1.1)
(1 - )
Para suelos no cohesivos (tales como gravas y arenas), el coeficiente de presión de
tierras en reposo es función del ángulo de resistencia al corte y es:
k0 = 1 – sen (2.1.2)
Para suelos compactados y fuertemente consolidados, el coeficiente de presión de
tierras en reposo es generalmente mayor que los valores calculados con las
ecuaciones anteriores.
2. Asumir el módulo elástico y el espesor de cada capa en la estructura de prueba del
pavimento, incluyendo el estrato de suelo ensayado en el laboratorio.
3. Calcular el esfuerzo vertical total, z, encima del punto de determinación del
módulo resiliente.
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z = 1 + p0 (2.1.3)
donde:
1 = esfuerzo vertical de la carga por rueda, calculado con la teoría de capa elástica.
p0 = presión vertical en reposo debido al peso de las otras capas
n-1
p0 = (D )n + (D )i (2.1.4)
i = 1
donde:
D = espesor de capa; para la capa n, D es la profundidad de caracterización o
donde se determina el módulo resiliente
= densidad de la capa
i = capa encima del estrato de suelo n, para el que se está estimando el
módulo resiliente
4. Calcular el esfuerzo lateral total, 3, sobre el elemento de suelo a la profundidad a
la que se determina el módulo resiliente del estrato
3 = x,y + k0 (p0) (2.1.5)
donde:
x,y = esfuerzo horizontal debido a las cargas de las ruedas aplicadas en la
superficie del pavimento y calculado con la teoría de la capa elástica
5. Calcular el módulo resiliente para los esfuerzos totales horizontal y vertical usando
las relaciones constitutivas (Ecuación 2.2.36).
6. Compare el módulo resiliente asumido con el valor calculado. Si los esfuerzos
calculados dan un valor dentro del 5 por ciento del módulo resiliente medido en el
laboratorio, se podrá usar el valor como módulo resiliente para la construcción.
2.1.3.5 Reporte de los Resultados de los Ensayos
Los resultados de las exploraciones y de los ensayos de laboratorio, generalmente se
presentan en la forma de un reporte de geología y suelos. Este reporte debe contener
descripciones suficientes acerca de las investigaciones de campo y laboratorio realizadas,
las condiciones encontradas, datos típicos de ensayos, suposiciones básicas y el
procedimiento analítico utilizado, que permitan una revisión detallada de las conclusiones,
recomendaciones y diseño final del pavimento. La cantidad y tipo de información a ser
presentada en el reporte de análisis del diseño deberá ser consistente con los alcances de la
investigación. Para pavimentos, se deben incluir los siguientes ítems (donde sean
aplicables) y se deben usar como una guía para preparar el reporte de análisis de diseño:
1. Una descripción general del sitio, indicando los principales aspectos topográficos
en la vecindad. Un plano mostrando el contorno superficial, la ubicación de la
estructura propuesta y la ubicación de todas las perforaciones.
2. Una descripción de la geología general del sitio, incluyendo los resultados de
cualquier estudio geológico previo realizado.
3. Los resultados de las investigaciones de campo, incluyendo registros gráficos de
todas las perforaciones, ubicación de datos pertinentes obtenidos de piezómetros
(donde sea aplicable), profundidad del lecho rocoso y una descripción general de
los materiales subterráneos, basada en las perforaciones. Los registros de las
perforaciones o el reporte deben indicar cómo se hicieron las perforaciones, tipo de
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2.1.17
muestreador usado y los resultados de cualquier ensayo de penetración o cualquier
dato de mediciones de campo tomados en el sitio.
4. Condiciones del agua subterránea, incluyendo datos de las variaciones estacionales
en el nivel freático y resultados de los ensayos de bombeo si es que se han
realizado.
5. Descripción general de los ensayos de laboratorio realizados, el rango general de
los valores de ensayo y datos detallados de los ensayos sobre muestras típicas. Los
datos de los ensayos de laboratorio deberán resumirse en tablas, incluyendo el
módulo resiliente seleccionado para cada estrato de suelo. Si no se hubieran
efectuado ensayos de laboratorio, se deberán presentar las bases para la
determinación de las propiedades del suelo, tales como correlaciones empíricas o
referencias a publicaciones pertinentes.
6. Un perfil de suelos generalizado usado para el diseño, mostrando las propiedades
promedio o representativas del suelo y los valores de la resistencia al corte de
diseño usados para los diferentes estratos de suelos. El perfil puede ser mostrado
por escrito o en forma gráfica.
7. Recomendaciones sobre el tipo de estructura del pavimento y cualquier
característica especial de diseño a usarse, incluyendo la remoción y reemplazo de
ciertos suelos, la estabilización de suelos o cualquier otra mejora o tratamiento del
suelo de cimentación.
8. Suposiciones básicas, cargas por rueda, resultados de cualquier análisis de
asentamientos y un estimado de la cantidad máxima de hinchamiento espectada en
los suelos de sub-rasante. Se debe discutir los efectos del asentamiento diferencial
calculado, así como los efectos del hinchamiento sobre la estructura del pavimento.
9. Se debe discutir sobre precauciones especiales y recomendaciones relativas a las
técnicas de construcción. También se debe fijar las ubicaciones de donde se
obtendrán los materiales para rellenos y terraplenes. Se debe describir la cantidad
de compactación requerida y los procedimientos planificados para cubrir esos
requerimientos.
En resumen, se debe identificar las variaciones horizontal y vertical en los tipos de suelos
subterráneos, contenidos de humedad, densidades y profundidades del nivel freático, para
pavimentos nuevos y existentes. El reporte FHWA-RD-97-083 (5), proporciona una guía
general y requisitos de las investigaciones subterráneas para diseño de pavimentos y
evaluaciones para el diseño de rehabilitaciones. Cada estrato de suelo encontrado deberá
ser caracterizado para su uso como soporte de la estructura del pavimento y si es que los
suelos subterráneos impondrán problemas especiales para la construcción y el
comportamiento a largo plazo de las estructuras del pavimento. A continuación se dan
algunas guías para identificar problemas de suelos o condiciones y métodos diferentes que
se pueden usar para tratar o mitigar sus efectos perjudiciales.
2.1.4 IDENTIFICACION Y TRATAMIENTO DE CONDICIONES
SUBTERRANEAS ESPECIALES
El tratamiento y la preparación apropiados del suelo de sub-rasante (o de fundación), es
extremadamente importante para la duración a largo plazo de una estructura de pavimento.
En vez de considerar el incremento en la rugosidad debido al levantamiento diferencial por
helada o debido a suelos expansivos, esta Guía proporciona maneras de minimizar los
efectos de tales condiciones problemáticas. Esta Guía proporciona procedimientos
detallados para identificar y tratar los problemas de suelos, a fin de alcanzar una
cimentación adecuada sobre la cual construir la estructura del pavimento. Se señalan cuatro
condiciones subterráneas especiales:
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Suelos colapsables o altamente compresibles.
Suelos expansivos o que se hinchan.
Flujo del agua subterránea y suelos saturados.
Suelos susceptibles al congelamiento.
2.1.4.1 Suelos Compresibles
Efecto de los Suelos Compresibles en el Comportamiento del Pavimento
Los suelos colapsables o altamente compresibles (muy débiles), son susceptibles de
grandes asentamientos y deformaciones con el tiempo, que pueden tener un efecto negativo
en el comportamiento de los pavimentos. Si esos suelos compresibles no se tratan
adecuadamente, se desarrollan grandes depresiones superficiales, con agrietamiento
aleatorio. Las depresiones superficiales pueden permitir que el agua se almacene sobre la
superficie del pavimento y se infiltre mas fácilmente a la estructura del pavimento
constituyendo un problema severo. Más importante aún, el almacenamiento del agua creará
un riesgo a la seguridad del tráfico público.25
Tratamientos para Suelos Compresibles
Donde existen suelos compresibles, la selección de una técnica en particular depende de la
profundidad del suelo débil y de la diferencia entre las condiciones in-situ y los
requerimientos de compactación o resistencia mínimos para limitar el asentamiento
anticipado a un valor permisible que no afectará adversamente al comportamiento del
pavimento.
Cuando se construyen carreteras en áreas con depósitos profundos de capas altamente
compresibles (suelos saturados de muy baja densidad), se deben examinar las propiedades
específicas del suelo para calcular el asentamiento estimado. Bajo esas condiciones, se
debe completar una investigación geotecnica y un análisis detallado de asentamientos
antes del diseño de pavimentos. Donde existan suelos de sub-rasante que no cumplan los
requisitos mínimos de compactación y que sean susceptibles de sufrir grandes
asentamientos con el tiempo, considerar las siguientes alternativas:
Si la capa de suelo es superficial, remover y procesar el suelo para alcanzar el
óptimo contenido de humedad aproximadamente y reemplazar y compactar.
Remover y reemplazar el suelo de sub-rasante por materiales de préstamo o
terraplenes seleccionados. Todos los materiales granulares de relleno deberán
compactarse a por lo menos el 95 por ciento de la máxima densidad, definida por
AASHTO T180. Los materiales cohesivos de relleno deberán compactarse a no
menos del 90 por ciento según AASHTO T99.
Compactar los suelos desde la superficie para incrementar la densidad seca por
medio de técnicas de compactación dinámicas.
Si el suelo está extremadamente húmedo o saturado, colocar drenes verticales de
arena o drenes verticales para drenar los suelos.
Consolidar los depósitos profundos de suelos saturados muy débiles mediante
grandes rellenos antes de la construcción de los pavimentos. Después de la
construcción se puede remover o dejar los rellenos, dependiendo de la rasante final.
25
Nota del IDPP: ver norma NTP 339.163 (2001) Método de Ensayo Normalizado para la Medición del
Potencial de Colapso de Suelos.
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2.1.19
2.1.4.2 Suelos con Hinchamiento
Efectos del Hinchamiento de Suelos en el Comportamiento del Pavimento
Los suelos que hinchan o suelos expansivos, son susceptibles a cambios de volumen
(contracción e hinchamiento) con las fluctuaciones estacionales en el contenido de
humedad. La magnitud de este cambio de volumen depende del tipo de suelo (potencial de
contracción-hinchamiento) y los cambios en su contenido de humedad. Una pérdida de
humedad causará que el suelo se contraiga, mientras que un incremento en el contenido de
humedad ocasionará que se expanda o hinche. Estos cambios de volumen en los suelos tipo
arcilla puede resultar en grietas longitudinales cerca del borde del pavimento y
significativa rugosidad superficial (variando entre hinchamientos y depresiones) a lo largo
del pavimento.
Los suelos expansivos son un problema muy importante en muchos lugares y son
responsables de la aplicación de actividades prematuras de mantenimiento y rehabilitación
a lo largo de muchos kilómetros de carretera todos los años. Los suelos expansivos son
especialmente un problema cuando se hacen cortes profundos en un suelo arcilloso denso
(sobre-consolidado).26
Identificación de los Suelos que Hinchan
Existen varias técnicas y procedimientos para identificar a los suelos potencialmente
expansivos. El AASHTO T258, se puede usar para identificar suelos y condiciones que son
susceptibles de hinchar. Dos de los documentos comúnmente mas usados son Una
Evaluación de la Metodología para la Identificación de Suelos Potencialmente Expansivos
y Construcción de Pavimentos de Aeropuertos sobre Suelos Expansivos (7, 8).
La mineralogía de la arcilla y la disponibilidad de agua son los factores clave en la
determinación del grado al cual puede existir un problema de hinchamiento en un
determinado sitio. Diferentes minerales de arcilla exhiben mayor o menor grado de
potencial de hinchamiento basados en su química específica. Las arcillas
montmorilloniticas tienden a exhibir muy altos potenciales de hinchamiento debido a la
química de sus partículas, mientras que las arcillas ilíticas tienden a exhibir muy bajos
potenciales de hinchamiento. La identificación de los minerales de arcilla por medios
químicos o microscópicos se puede usar como un método para identificar la presencia de
un elevado potencial de hinchamiento en los suelos. La estructura del suelo también
influye en el potencial de hinchamiento, las partículas agregadas tenderán a exhibir
mayores hinchamientos que las partículas dispersas y las floculadas mayores que las
defloculadas. Generalmente, cuando mas fino es el grano y más plástico el suelo, más alto
será el potencial de hinchamiento.
La identificación de suelos que hinchan debajo del pavimento es un componente clave de
la investigación geotécnica para carreteras. Los suelos a poca profundidad debajo de la
elevación propuesta para el pavimento son generalmente muestreados como parte de la
investigación y su potencial de hinchamiento puede identificarse de diferentes maneras.
Los ensayos índice son un método común para identificar hinchamientos potenciales.
Usualmente se llevan a cabo ensayos de laboratorio para obtener los límites líquido y
plástico y/o el límite de contracción. La actividad del suelo, definida como la relación del
26
Nota del IDPP: ver norma NTP 339.170 (2002) Método de Ensayo Normalizado para la Determinación
del Hinchamiento Unidimensional o Potencial de Asentamiento de Suelos Cohesivos.
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2.1.20
índice plástico al porcentaje en peso del suelo más fino que 80 mils27
, también se usa como
una propiedad índice para determinar el potencial de hinchamiento, toda vez que los
minerales de arcilla de más alta actividad, exhiben mayores hinchamientos. Los cálculos de
la actividad requieren medidas de la gradación usando métodos hidrométricos, los cuales
no son típicos en investigaciones geotecnicas para diseño de pavimentos en muchas
jurisdicciones. Adicionalmente a los ensayos índice, la práctica de las agencias en las
regiones donde los suelos expansivos son un problema común, puede incluir los ensayos de
hinchamiento en muestras de suelos naturales o compactados. Tales ensayos generalmente
incluyen medidas de los cambios en la altura (o volumen) de una muestra expuesta a una
carga ligera similar a la esperada en el campo y permitiendo luego el acceso libre del agua.
Tratamiento para Suelos Expansivos
Cuando se encuentran suelos expansivos a lo largo de un proyecto, en ambientes y áreas
donde se espera fluctuaciones significativas de la humedad en la sub-rasante, se deben
considerar las siguientes alternativas para minimizar los potenciales futuros cambios de
volumen del suelo expansivo:
Para capas relativamente delgadas de arcillas expansivas cercanas a la superficie,
remover y reemplazar los suelos expansivos por materiales seleccionados de
préstamo.
Extender las capas del pavimento sobre el ancho de los suelos inferiores para
reducir la pérdida de humedad en la sub-rasante, a lo largo del borde del pavimento.
Escarificar, estabilizar y recompactar la porción superior de la sub-rasante con
arcillas expansivas. (El término estabilización tal como se usa aquí, se refiere al
tratamiento de un suelo con agentes tales como asfalto, cemento Pórtland, cal
apagada o hidratada y cenizas volantes, para limitar sus características de cambio
de volumen. Esto puede incrementar sustancialmente la resistencia del material
tratado). Mas adelante en este capítulo se hace una discusión adicional sobre la
estabilización de suelos.
En áreas con cortes profundos en arcillas expansivas densas, sobre-consolidadas,
completar la excavación de los suelos superficiales a la elevación apropiada y
permitir el hinchamiento de los suelos subterráneos, antes de colocar las capas del
pavimento
Si se dejan in-situ, compactar los suelos expansivos de forma moderada a elevada,
por encima del óptimo contenido de humedad.
2.1.4.3 Aguas Subterráneas
Efecto de las Aguas Subterráneas sobre el Comportamiento del Pavimento
Es importante identificar cualquier estrato de suelo saturado, la profundidad de la napa
freática y el flujo de las aguas subterráneas entre estratos de suelos. Es especialmente
importante reconocer e identificar el agua subterránea en las áreas de transición entre los
segmentos de corte y relleno. Si se permite saturar los materiales no ligados de base/sub-
base y los suelos de sub-rasante, el agua subterránea pude disminuir significativamente la
resistencia y el módulo de esos materiales. Las reducciones significativas de la resistencia
pueden resultar en depresiones superficiales prematuras, ahuellamientos o agrietamientos.
El flujo estacional de la humedad a través de estratos de suelos selectos, puede también
magnificar significativamente los efectos de los cambios diferenciales de volumen en los
27
Nota del IDPP : 1 mil = 1 milipulgada = 0.001 pulg = 25.4
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2.1.21
suelos expansivos. Las áreas de corte son particularmente críticas para las aguas
subterráneas.
Tratamiento de las Aguas Subterráneas
Cuando se encuentran suelos saturados o aguas subterráneas, se debe tomar en cuenta las
siguientes alternativas para mejorar el soporte de la fundación o sub-rasante:
Para suelos saturados cerca de la superficie, secar o aumentar la resistencia de los
suelos húmedos por medio del uso de técnicas de estabilización mecánica a fin de
proporcionar una plataforma de construcción a la estructura del pavimento.
Remover y reemplazar los suelos saturados con materiales o suelos de préstamo
seleccionado.
Colocar y compactar apropiadamente capas gruesas de rellenos o terraplenes para
incrementar la elevación de la sub-rasante, o en otras palabras, incrementar la
distancia entre los suelos saturados o la napa freática y la estructura del pavimento.
Uso de drenes de sub-rasante donde existan las siguientes condiciones:
○ Elevados niveles freáticos que pueden reducir la estabilidad de la sub-rasante y
proporcionar una fuente de agua para la acción de las heladas.
○ Suelos de sub-rasante conformados por limos y arenas muy finas que puedan
licuefactar cuando están saturados.
○ Filtraciones de agua desde estratos subyacentes que soportan la napa freática o
desde sub-rasantes en áreas de corte.
2.1.4.4 Suelos Susceptibles a las Heladas
Efecto de la Acción de las Heladas en el Comportamiento de los Pavimentos
La acción de las heladas puede causar levantamientos diferenciales, rugosidad superficial y
agrietamientos, bloqueo de drenajes y una reducción de la capacidad portante durante los
períodos de deshielo. Esos efectos van desde ligeros hasta severos, dependiendo de los
tipos y uniformidad de los suelos y de la disponibilidad de agua.
Un efecto de la acción de las heladas sobre los pavimentos es el levantamiento causado por
cristalización de los lentes de hielo en los vacíos de suelos conteniendo partículas finas.
Tres condiciones deben estar presentes para causar el levantamiento por heladas y otros
problemas asociados:
Suelos susceptibles al congelamiento.
Temperaturas de congelamiento en el suelo.
Fuente de agua.
Si esas condiciones ocurren uniformemente, el levantamiento será uniforme; de otra
manera, ocurrirá un levantamiento diferencial, causando irregularidades superficiales,
rugosidades y finalmente el agrietamiento de la superficie del pavimento.
Un segundo efecto de la acción de las heladas es el debilitamiento por deshielo. La
capacidad portante puede reducirse sustancialmente durante los períodos de deshielo. Sin
embargo, el levantamiento por helada puede ser más severo durante los períodos de hielo-
deshielo, debido a que el agua estará más fácilmente disponible en la zona de
congelamiento. En las áreas más meridionales pueden ocurrir algunos ciclos de hielo-
deshielo en la zona de congelamiento durante una estación de invierno y causar mas daño
que un período mas largo de congelamiento en las áreas más al norte. Los deshielos de
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2.1.22
primavera generalmente producen una pérdida de capacidad portante, bastante por debajo
de los valores de verano y otoño, seguido de una recuperación gradual en un período de
semanas o meses.
El diseño de pavimentos contra la acción de las heladas, a menudo determina el espesor
requerido de pavimentos flexibles y la necesidad de materiales adicionales selectos en
pavimentos flexibles y rígidos. Se han usado tres enfoques de diseño de pavimentos en las
áreas con congelamiento estacional:
El enfoque de la Protección Completa – requiere materiales no susceptibles al
congelamiento en toda la profundidad de la helada.
El enfoque de la Penetración Limitada de la Helada en la Sub-rasante – permite
alguna penetración de la helada dentro de la sub-rasante pero lo suficiente como
para impedir que se desarrolle rugosidad superficial inaceptable.
El enfoque de la Resistencia reducida de la Sub-rasante – permite mayor
penetración dentro de la sub-rasante, pero proporciona adecuada resistencia durante
los períodos de debilitamiento por deshielo.
Muchas agencias proporcionan protección contra el levantamiento y el debilitamiento por
deshielo, incluyendo un espesor mínimo de pavimento, base y de materiales seleccionados
encima de los suelos de sub-rasante susceptibles de congelamiento. Muchas agencias
recomiendan la mezcla de la porción superior de la sub-rasante para proporcionar un
levantamiento por helada mas uniforme durante el invierno y un soporte mas uniforme
durante la primavera. Sin embargo algunos diseños de pavimentos en áreas de
congelamiento estacional utilizan el enfoque de sub-rasante con resistencia reducida,
mientras que aquellos en áreas con índices de congelamiento bajos usan los enfoques de
protección completa o de protección limitada de la sub-rasante contra el congelamiento. En
la mayor parte, esos enfoques fueron desarrollados en base a la experiencia en vez de la
aplicación de algún método de cálculo teórico riguroso.
En este enfoque de diseño, se usa un método más riguroso para determinar los espesores de
capa necesarios para reducir los efectos del congelamiento y el deshielo estacionales a
límites aceptables. Se usa el EICM para determinar la máxima penetración de las heladas
en el sistema de pavimentos de una ubicación particular. Se pueden usar diferentes
combinaciones de espesores de capa y de materiales para determinar su impacto en la
máxima profundidad de penetración de la helada y en la cantidad total de base y materiales
selectos necesarios para proteger a los suelos susceptibles de congelar.
Identificación de los Suelos Susceptibles de Congelar
Los suelos susceptibles de congelar se han clasificado en cuatro grupos generales. La Tabla
2.1.3, proporciona un resumen de los suelos típicos dentro de cada uno de esos cuatro
grupos y la Figura 2.1., muestra gráficamente, la tasa promedio espectada de levantamiento
por helada para los diferentes grupos de suelos.
Muy poco o ningún congelamiento ocurre en arenas, gravas, piedra triturada y similares
materiales granulares cuando están limpios y con drenaje libre, bajo condiciones normales
de congelamiento. Los grandes espacios vacíos permiten que el agua congele in-situ sin
segregación en lentes de hielo. Inversamente, los limos son altamente susceptibles al
congelamiento. La condición de relativamente pequeños vacíos elevada acción/potencial
de capilaridad y buena permeabilidad de estos suelos cuenta para esta característica.
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2.1.23
Tabla 2.1.3 Clasificación de la susceptibilidad al congelamiento de los suelos (9)
Grupo Grado de Tipo de Suelo Porcentaje en Clasificación
Susceptibilidad al peso más fino Típica de
Congelamiento que 0.075 plg. Suelos
F1 Despreciable a bajo Gravoso 6-10 GM, GW-GM, GP-GM
F2 Bajo a medio Gravoso 10-20 GM, GW-GM, GP-GM
Arenoso 6-15 SM, SW-SM, SP-SM
Gravoso > 20 GM, GC
Arenas, excepto > 15 SM, SC
F3 Alto arenas limosas
muy finas
Arcillas IP<12 ------ CL, CH
Todos los limos ------ ML, MH
Arenas limosas > 15 SM
muy finas
F4 Muy alto Arcillas IP>12 ------ CL, CL-ML
Arcillas variadas ------ CL, ML, SM, CH
y otros suelos de
grano fino, sedi-
mentos bandeados
Las arcillas son cohesivas y aunque su potencial de acción capilar es alto, su tasa de
capilaridad es baja. Aunque los levantamientos por helada pueden ocurrir en suelos
arcillosos, no son tan severos como en los limos, toda vez que la naturaleza impermeable
de las arcillas hace el paso de agua más lento. La capacidad portante de las arcillas se
puede reducir sustancialmente durante los deshielos aunque no haya ocurrido un
levantamiento significativo. El deshielo generalmente tiene lugar de arriba hacia abajo,
conduciendo a muy elevados contenidos de humedad en los estratos superiores.
Un nivel freático dentro de 1.50 m de la elevación propuesta para la sub-rasante es una
indicación de que existirá suficiente agua para la formación de hielo. Los suelos de sub-
rasante de arcillas uniformes también contienen humedad suficiente para la formación de
hielo, aún cuando la profundidad hasta la napa de agua exceda los 3 m.
Tratamiento Contra la Acción de las Heladas
Cuando se encuentran suelos susceptibles al congelamiento, se deben tener en cuenta las
siguientes alternativas para mejorar la cimentación o el suelo de soporte:
Remover y reemplazar los suelos susceptibles al congelamiento (generalmente de
los grupos F3 y F4), con materiales seleccionados de préstamo que no son
susceptibles al congelamiento, hasta la profundidad esperada de penetración de la
helada.
Colocar y compactar materiales seleccionados de préstamo, que no sean
susceptibles al congelamiento, en un espesor o profundidad que prevenga el
congelamiento de la sub-rasante, para suelos susceptibles al congelamiento de los
grupos F2, F3 y F4.
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2.1.24
Figura 2.1.1. Tasa promedio de levantamiento versus porcentaje de finos para
gradaciones de suelos naturales (9).
Remover bolsones aislados de suelos susceptibles al congelamiento con el objeto
de eliminar cambios bruscos en las condiciones de la sub-rasante.
Incrementar los espesores de las capas estructurales para tomar en cuenta una
reducción en la resistencia de la sub-rasante durante los períodos de deshielo
primaveral para los grupos susceptibles al congelamiento F1, F2 y F3.
Estabilizar al suelo susceptible al congelamiento, eliminando el efecto de los finos
en el suelo por medio de uno de los siguientes tres procesos: 1) remoción mecánica
o inmovilización por medios físico-químicos tales como el uso de agentes
cementantes; 2) reducción efectiva de la cantidad de humedad del suelo, disponible
para migrar hacia el plano de congelamiento, bloqueando en esencia todos los
pasajes; ó 3) alteración del punto de congelamiento de la humedad del suelo. Los
agentes cementantes tales como el cemento Pórtland, asfalto, cal y cal-cenizas
volantes, remueven de manera efectiva las partículas individuales de suelo,
adhiriéndolas y actuando también en la remoción parcial de los pasajes capilares,
reduciendo de esta manera el potencial de movimiento de la humedad. Se debe
tener especial cuidado cuando se usa cal y cal-cenizas volantes sobre materiales
arcillosos en áreas de congelamiento estacional.
CLASIFICACION DE LA SUSCEPTIBILIDAD AL CONGELAMIENTO
MUY ALTA
ALTA
MEDIA
BAJA
MUY BAJA
DESPRECIA BLE
A ARENA LIMPIA, SW
B GRAVA ARCILLOSA, GW-GC
C GRAVA, GM-GC
D ARCILLA MAGRA, CL
GRAVA ARENOSA
GP
ARCILLA GRASA
CH
ARCILLA GRAVOSA
Y ARENOSA
CL
ARENAS LIMOSAS
LIMOS ARCILLOSOS
ML-CL LIMOS
ARENAS ARCILLO
SAS
GRAVAS ARCILLOSAS
ARCILLAS MAGRAS
GRAVAS ARENOSAS
ARENAS
LIMPIAS
PORCENTAJE EN PESO MAS FINO QUE 0.02 mm
ARENAS (Excepto ARENAS limosas muy finas)
ARENAS LIMOSAS MUY FINAS
TODOS LOS LIMOS
ARCILLAS (IP >12)
SUELOS GRAVOSOS
ARCILLAS (IP<12), ARCILLAS BARBADAS Y OTROS SEDIMENTOS DE GRANO FINO
GRAVA LIMOSA
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2.1.25
2.1.5 MEJORA Y REFUERZO DEL SUELO DE FUNDACION
El tratamiento apropiado de las condiciones en suelos problemáticos y la preparación del
suelo de fundación son extremadamente importantes para asegurar una estructura de
pavimento de larga duración, que no requiera de un mantenimiento excesivo. En todos los
casos, no se debe sobre enfatizar la previsión de un suelo uniforme desde el punto de vista
de clasificación de la textura, humedad y densidad en la porción superior de la sub-rasante.
Esta uniformidad se puede lograr por medio de un mayor corte del suelo u otras técnicas.
Se han usado cinco técnicas para mejorar la resistencia y reducir las variaciones climáticas
de la cimentación sobre el comportamiento del pavimento:
1. Estabilización de suelos débiles (de alta plasticidad o compresibles)
2. Uso de capas granulares gruesas.
3. Uso de sistemas de drenaje subterráneo.
4. Uso de Geosinteticos.
5. Uso de suelos encapsulados.
2.1.5.1. Estabilización
Objetivos de la Estabilización de Suelos
Los suelos que son altamente susceptibles a cambios de volumen y resistencia, cuando se
combinan con el tráfico de camiones, pueden causar una rugosidad severa y acelerar el
deterioro de la estructura del pavimento en la forma de un incremento del agrietamiento y
un decremento en la calidad de la transitabilidad. Generalmente el módulo resiliente de
algunos suelos depende en gran medida de la humedad y del estado de esfuerzos. En
algunos casos, el suelo de sub-rasante puede tratarse con diferentes materiales para mejorar
sus características de resistencia y rigidez. La estabilización de suelos se lleva a cabo
normalmente por dos razones:
1. Como una plataforma de construcción para secar suelos muy húmedos y facilitar la
compactación de las capas superiores – en este caso, el suelo estabilizado
normalmente no se considera como una capa estructural en el proceso de diseño del
pavimento. Este proceso también se denomina a veces como una modificación del
suelo.
2. Para aumentar la resistencia de un suelo débil y restringir el potencial de cambio de
volumen de suelos de alta plasticidad o compresibles – en este caso, se le da al
suelo estabilizado algún valor estructural o crédito en el proceso de diseño del
pavimento.
Las estabilizaciones con cal, cemento y asfalto se han usado para controlar el
hinchamiento y el levantamiento por helada de los suelos y mejorar las características de
resistencia de los suelos inapropiados. Para la estabilización o modificación de los suelos
cohesivos, generalmente se utiliza la cal hidratada. La modificación con cal se utiliza en
muchos lugares para lograr una buena plataforma de construcción en climas húmedos,
sobre suelos arcillosos de alta plasticidad y otros suelos de grano fino. La cal es aplicable
en suelos arcillosos (suelos de los tipos CH y CL) y en suelos granulares conteniendo
ligante arcilloso (GC y SC), mientras que el cemento Pórtland es mas comúnmente usado
en suelos no plásticos. La cal reduce el Indice de Plasticidad (IP) y produce un suelo
arcilloso menos susceptible a los cambios de humedad. El uso de cal debería considerarse
donde el IP del suelo es mayor de 10. Es importante mencionar que el cambio de las
propiedades físicas de un suelo por estabilización química puede producir un suelo
susceptible a los levantamientos por helada.
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2.1.26
Mas adelante se proporcionan algunas definiciones sobre modificación y estabilización de
suelos, usando cal, cemento y asfalto. Las referencias 10, 11, 12 y 13 y otras publicaciones
relacionadas, proporcionan guías adicionales sobre como se logra la estabilización usando
esos tres materiales.
Tratamiento con Cal
El tratamiento o modificación con cal consiste en la aplicación de 1 a 3 por ciento de cal
hidratada para ayudar al secado del suelo y permitir la compactación. Como tal, es útil en
la construcción de una “plataforma de trabajo” para facilitar la construcción. La
modificación con cal también puede considerarse como una condición previa para la
estabilización con cemento o asfalto. El tratamiento de los suelos de sub-rasante con cal
tiene por objeto facilitar la construcción y no debe implicar una reducción en el espesor
requerido del pavimento.
Estabilización con Cal
La estabilización con cal o puzolana mejora las características de resistencia y modifica la
composición química de algunos suelos. La resistencia de los suelos de gradación fina
puede mejorarse significativamente con la estabilización con cal, mientras que la
resistencia de los suelos de gradación gruesa es normalmente mejorada de manera
moderada. Se ha encontrado que la estabilización con cal es un método efectivo para
reducir el potencial de cambio de volumen de muchos suelos. Sin embargo, el tratamiento
con cal puede convertir a los suelos que muestran despreciable o moderado levantamiento
por helada, en suelos altamente susceptibles a los levantamientos por helada, adquiriendo
características más típicamente asociadas con los limos. Se ha reportado que este efecto
adverso ha sido causado por un período de curado insuficiente junto con una compactación
inadecuada. El curado es importante cuando se mejoran las características de resistencia
del suelo.
Para una estabilización exitosa de arcillas (y otros suelos de alta plasticidad), el contenido
de cal deberá estar entre el 3 y el 8% del peso seco del suelo y la masa de suelo curado
deberá tener un incremento de la resistencia a la compresión no confinada de por lo menos
3.5 kg/cm2 después de un período de curado de 28 días a 23ºC, respecto del material no
curado. El óptimo contenido de cal deberá determinarse con el uso de la resistencia a la
compresión no confinada y los límites de Atterberg en muestras de suelo-cal moldeadas en
laboratorio para diferentes contenidos de cal. La capa de sub-rasante estabilizada con cal
debe ser compactada a una densidad mínima del 95% de la máxima densidad seca definida
en AASHTO T-99. El mínimo requerimiento de resistencia para este material es función
del tipo de pavimento y de la importancia de la capa dentro de la estructura del pavimento.
En la PARTE 2 Capítulo 2, se dan guías adicionales al respecto.
Se ha observado que cuando los suelos son tratados apropiadamente con cal, la mezcla
suelo-cal puede estar sujeta a problemas de durabilidad causado por el congelamiento y
deshielo cíclicos del suelo.
La estabilización con cal-cenizas volantes es aplicable a un amplio rango de suelos debido
a que la acción cementante del material depende menos del contenido de finos dentro del
suelo. Sin embargo, los estudios de durabilidad a largo plazo de los pavimentos
estabilizados con cal-cenizas volantes son limitados.
Los suelos clasificados como CH, CL, MH, ML, SM, SC y GC, con un índice de
plasticidad mayor de 10 y con 25% pasando la malla Nº 200, son potencialmente
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2.1.27
apropiados para estabilización con cal. La cal hidratada en forma de polvo o mezclada con
agua como una lechada, se usa mayormente para estabilización. Para determinar el
contenido de cal de diseño para un suelo de sub-rasante, el diseñador deberá seguir las
guías proporcionadas por la Asociación Nacional de la Cal (NLA por sus siglas en inglés).
Estabilización con Cemento
El cemento Pórtland se utiliza ampliamente para estabilizar suelos arcillosos de baja
plasticidad, suelos arenosos y suelos granulares, con el objeto de mejorar sus propiedades
ingenieriles de resistencia y de rigidez. Incrementando el contenido de cemento se
incrementa la calidad de la mezcla. A bajos contenidos de cemento, el producto
generalmente se denomina suelo-modificado por cemento. Un suelo-modificado por
cemento tiene propiedades mejoradas de plasticidad o características expansivas reducidas
y reducida susceptibilidad al deshielo. A mayores contenidos de cemento, el producto final
se denomina suelo-cemento. Mayores contenidos de cemento inducirán inevitablemente
mayores incidencias de agrietamiento por contracción causado por los cambios de
humedad/temperatura.
Para suelos a ser estabilizados con cemento, el mezclado apropiado requiere que el suelo
tenga un IP menor de 20% y un mínimo de 45 por ciento pasante la malla Nº 40. Sin
embargo, las arcillas de alta plasticidad que han sido pre-tratadas con cal o con cenizas
volantes son a veces apropiadas para un posterior tratamiento con cemento portland.
Para la estabilización con cemento de suelos granulares y no plásticos, el contenido de
cemento deberá estar entre el 3 y el 10% del peso seco del suelo y el material curado
deberá tener una resistencia a la compresión no confinada de por lo menos 10.5 kg/cm2 a
los 7 días (para una guía adicional sobre los requerimientos mínimos de resistencia ver
PARTE 2, Capítulo 2). El cemento Portland deberá cumplir los requerimientos mínimos de
AASHTO M 85. La sub-rasante estabilizada con cemento deberá ser compactada a una
densidad mínima del 95% de la máxima densidad definida en AASHTO M134. Solamente
los suelos de granos finos pueden tratarse efectivamente con cal para mejoras marginales
de la resistencia.
Estabilización con Asfalto
Generalmente se usan los suelos estabilizados con asfalto para la construcción de bases y
sub-bases. El uso del asfalto como un agente estabilizador produce diferentes efectos,
dependiendo del suelo y puede dividirse en tres grupo principales: 1) arena-asfalto, la que
produce resistencia en los suelos sin cohesión tales como arenas finas, o actúa como un
ligante o agente cementante; 2) suelo-asfalto, el cual estabiliza el contenido de humedad de
los suelos cohesivos de gradación fina; y 3) arena-grava-asfalto, la cual proporciona
resistencia cohesiva e impermeabilidad a los suelos gravosos de cantera con resistencia
friccional inherente. La durabilidad de las mezclas estabilizadas con asfalto, generalmente
se puede alcanzar midiendo las características de su agua de absorción.
Características de los Suelos Estabilizados
La mejora de la sub-rasante o de los agregados no ligados por aplicación de un agente
estabilizador, intenta producir las mejoras indicadas anteriormente. Esas mejoras surgen de
diferentes mecanismos importantes que deben ser considerados y entendidos por el
diseñador de pavimentos. Los agentes estabilizadores de la sub-rasante pueden llenar total
o parcialmente los vacíos, alargando las rutas del agua que migra dentro del suelo. La
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2.1.28
reducción de la permeabilidad del suelo puede lograrse creando una superficie
impermeable para proteger los suelos subyacentes sensibles al agua del ingreso del agua
superficial. Este mecanismo debe acompañarse por otros aspectos del diseño geométrico
dentro de un sistema comprensible. La reducción de los espacios vacíos puede también
tender a modificar el cambio de volumen bajo corte de una condición contractiva a una
dilativa. El agente estabilizante también actúa ligando las partículas de suelo, añadiendo
resistencia cohesiva al corte e incrementando la dificultad con la que las partículas se
pueden mover dentro de un empaque más denso, bajo carga. La unión entre partículas sirve
para reducir el hinchamiento, resistiendo la tendencia de las partículas a separarse. Las
partículas pueden mantenerse unidas por acción del agente estabilizador en sí (como en el
caso del cemento asfáltico), o pueden cementarse por sub-productos de reacciones
químicas entre el suelo y el agente estabilizador (como en el caso de la cal o del cemento
Pórtland). Mejoras adicionales pueden surgir de otras reacciones físico-químicas que
afecten a la estructura del suelo (típicamente por floculación) o a la química del suelo
(típicamente por intercambio de cationes).
La zona que puede seleccionarse para la mejora depende de muchos factores. Entre estos
están la profundidad del suelo blando, las cargas previstas del tráfico, la importancia de la
vía y las características de drenaje del diseño geométrico y el suelo subyacente. Cuando se
mejora solamente una zona delgada, la remoción y el reemplazo será normalmente la
alternativa preferida por muchas agencias, a menos que esto no sea económicamente
posible. Note que en este contexto, el uso del término cualitativo “delgado” es intencional,
toda vez que el espesor de la zona puede describirse como grueso o delgado basados
principalmente en la economía de los requerimientos del movimiento de tierras y la
profundidad de influencia de las cargas vehiculares.
Consideraciones del Diseño de Pavimentos para Sub-rasantes Estabilizadas
La aplicación de un agente estabilizador generalmente incrementa las propiedades de
resistencia del suelo. Este incremento generalmente aparece en el proceso de diseño de
pavimentos como un incremento en el módulo del suelo mejorado, reduciendo los
espesores de capas estructurales del pavimento. El costo del proceso de estabilización por
tanto, puede ser cubierto por los ahorros en las capas estructurales del pavimento. Sin
embargo, es importante que el incremento real usado en el proceso de diseño sea igualado
por el producto construido, haciendo que los programas de aseguramiento de la calidad y
del control de calidad de la construcción sean muy importantes. Cuando se realiza el
diseño de pavimentos usando un solo parámetro para describir la condición de la sub-
rasante, el espesor de la zona estabilizada es un componente crítico en la determinación del
módulo incrementado a usar en el diseño.
El espesor de la zona de sub-rasante mejorada es tanto una consideración de diseño como
constructiva. Desde el punto de vista del diseño, debería ser, por supuesto, ventajoso
mejorar y estabilizar las propiedades de una zona tan gruesa como pueda ser
razonablemente estabilizada. Desde una perspectiva constructiva, hay implicancias
prácticas y económicas relativas al espesor de la zona estabilizada. La estabilización
requiere que el agente sea completamente distribuido en la matriz del suelo y que este esté
bien pulverizado para prevenir coágulos aislados no mejorados dentro de la masa de suelo.
El equipo de construcción usado en la mezcla debe ser capaz de alcanzar elevados niveles
de uniformidad en todo el espesor mejorado. Si la zona a ser mejorada es muy gruesa,
puede ser necesario procesar al suelo en capas múltiples, lo que usualmente requerirá el
escarificado y almacenamiento de las capas superiores de la sub-rasante. Por eso, la
estabilización en aplicaciones de vías de transporte, raramente excede unos cuantos
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2.1.29
centímetros de profundidad, excepto en aplicaciones de mezcla profunda, que pueden
usarse en las vecindades de las cimentaciones de puentes o estribos, para proveer de
cimentaciones de soporte mejoradas.
2.1.5.2. Capas Granulares Gruesas
Muchas agencias han encontrado que una capa granular gruesa, es un aspecto importante
en el diseño y en el comportamiento de los pavimentos. Una capa granular gruesa tiene
generalmente mas de 45 cm de espesor. Las capas granulares gruesas proporcionan
algunos beneficios, incluyendo una mayor capacidad de soportar cargas, protección contra
las heladas y un drenaje mejorado. Desde que la composición de estas capas toma muchas
formas, la estrategia subyacente en cada una de ellas es alcanzar el comportamiento
deseado del pavimento por medio de mejores características de cimentación. Las secciones
que siguen describen los beneficios de las capas granulares gruesas, sus características
típicas y consideraciones para el diseño y construcción de terraplenes granulares.
Objetivos de las Capas Granulares Gruesas
Las capas granulares gruesas han sido usadas en el diseño por razones estructurales, de
drenaje y geométricas. Muchas veces se usa una capa granular para proporcionar
uniformidad y soporte en una plataforma de construcción. En áreas con grandes cantidades
de agregados de buena calidad, fácilmente disponibles, se puede usar una capa granular
gruesa como alternativa a la estabilización de suelos. Por alguna razón, las capas
granulares gruesas ayudan a mejorar la cimentación natural del suelo. Así, muchas
agencias han reconocido que la manera apropiada de tomarlas en cuentas para suelos
débiles, de pobre drenaje, es mediante el mejoramiento de la cimentación, en oposición al
incremento de los espesores de capa del pavimento. La siguiente es una lista de los
objetivos y beneficios de las capas granulares gruesas:
Incrementar la capacidad portante de sub-rasantes débiles, de gradación fina.
Proporcionar una capacidad portante mínima para el diseño y construcción de
pavimentos.
Proporcionar un soporte uniforme de la sub-rasante en secciones con condiciones
de suelos altamente variables.
Reducir los efectos estacionales de las variaciones de humedad y temperatura sobre
el soporte de la sub-rasante.
Promover la escorrentía superficial por medio del diseño geométrico.
Mejorar el drenaje superficial y la remoción de la humedad de las capas inferiores
del pavimento.
Incrementar la elevación de los pavimentos en áreas con nivel freático elevado.
Proporcionar protección contra las heladas en zonas climáticas con congelamiento.
Reducir el potencial de ahuellamiento de la sub-rasante en pavimentos flexibles.
Reducir la erosión y el bombeo debajo de pavimentos PCC.
Cumplir los requerimientos de elevación del diseño geométrico.
Características de las Capas Granulares Gruesas
Las capas granulares gruesas han sido incorporadas en el diseño de pavimentos de
diferentes maneras. Ellas se pueden denominar rellenos o terraplenes, sub-rasante mejorada
o preparada y préstamo seleccionado o preferido. Ocasionalmente, una capa granular
gruesa se usa como sub-base de un pavimento. Las dos características más importantes
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para esas capas son las propiedades del material y sus espesores. Mientras que los
requerimientos geométricos (es decir, el perfil vertical) y una escorrentía superficial
mejorada se pueden conseguir con terraplenes construidos sobre cualquier tipo de suelo,
los efectos mas beneficiosos se producen por medio de la utilización de materiales
granulares de buena calidad. Algunos métodos se utilizan para caracterizar la resistencia y
la rigidez de los materiales granulares, incluyendo los ensayos de CBR y el módulo
resiliente. Adicionalmente, se han usado algunos tipos de ensayos de placa para determinar
la reacción combinada del terraplén y del suelo. En general, se usan materiales con valores
del CBR superiores a 20%, correspondiente a un módulo resiliente de aproximadamente
17,500 psi (1,225 kg/cm2). Estos valores corresponden típicamente a arenas o materiales
granulares, o a materiales de granos gruesos con una cantidad limitada de finos,
correspondientes a los suelos A-1 y A-2 de la clasificación AASHTO.
La gradación de los agregados y la forma de las partículas son otras propiedades
importantes. Típicamente los materiales de los terraplenes son de gradación gruesa, con un
tamaño máximo del agregado que varía en función de la altura del terraplén. Muchas
veces, las capas inferiores de los terraplenes puede contener cantos rodados o gravas de 4 a
8 pulgadas (10 a 20 cm) de diámetro. Las capas granulares colocadas cerca de la superficie
del terraplén, tiene gradaciones, incluyendo el tamaño máximo de los agregados, similares
a las especificaciones para materiales de sub-base. Aunque las capas granulares de
gradación densa no proporcionan un drenaje eficiente respecto de los materiales de
gradación abierta, se puede alcanzar un grado marginal de filtración subterránea, limitando
el contenido de finos a menos del 10%. El tipo de material granular utilizado es
normalmente una función de la disponibilidad del material y de su costo. Los materiales de
graveras y de piedra triturada son los más comunes. La elevada resistencia al corte de la
piedra triturada es más deseable que los materiales gravosos redondeados; sin embargo, el
uso de materiales triturados no siempre es económicamente factible.
Los espesores de capa de los materiales granulares varían dependiendo de su uso. Las
capas granulares de 6 a 12 pulgadas (15 a 30 cm) de espesor se pueden usar para
proporcionar uniformidad de soporte o para actuar como una plataforma de construcción
para las capas de pavimentos asfálticos y de concreto. Para incrementar los valores de
diseño de la sub-rasante compuesta (es decir la combinación de las capas granulares sobre
el suelo natural), normalmente es necesario colocar un mínimo de 0.45 m a 1.50 m de
material de relleno, dependiendo de la resistencia del material granular respecto del suelo
subyacente. Asimismo, los rellenos granulares colocados para la protección contra el
congelamiento, deben estar entre 0.45 m a 1.50 m. En la mayor parte de los casos, los
terraplenes mayores de 1.80 m de espesor, tienen efectos mínimos en términos de
resistencia. Por ejemplo, el espesor requerido de las capas de una HMA, sobre capas
granulares gruesas (mayores de 1.80 m), no disminuye con el incremento del espesor de la
capa granular. Los terraplenes granulares mayores de 1.80 m se construyen mayormente
por razones geométricas.
Consideraciones para el Diseño Estructural de Pavimentos
El uso de una capa granular gruesa ofrece una situación interesante para el diseño. La
colocación de una capa granular de espesor sustantivo sobre un suelo subyacente débil,
forma esencialmente, una sub-rasante no homogénea, por lo menos en el fondo de la capa
granular. El diseño de pavimentos requiere de un valor simple de diseño para la sub-
rasante, por ejemplo CBR28
, módulo resiliente, o valor-k. Esto generalmente se determina
28
Nota del IDPP: ver MTC E132 133-1999,así como NTP 339.145 (1999) y 175 (2002)
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por medio de ensayos de campo o laboratorio cuando la masa de suelo en la zona de
influencia de las cargas vehiculares es del mismo tipo, o muestra propiedades similares. En
el caso de una sub-rasante no homogénea, la reacción compuesta del terraplén y del suelo,
puede variar desde la del suelo natural hasta la del relleno granular. Más comúnmente, la
reacción compuesta tiene un valor entre ambos extremos, dependiente de la diferencia
relativa entre los módulos del suelo y del terraplén, así como del espesor de la capa
granular. La respuesta real de la sub-rasante compuesta no se conoce hasta que el terraplén
haya sido colocado en el campo y puede ser diferente una vez que se coloquen las capas
superiores del pavimento.
Para tomar en cuenta sub-rasantes no homogéneas en el diseño estructural de pavimentos,
se recomienda caracterizar las propiedades individuales del material por métodos
tradicionales, tales como los ensayos del CBR y del módulo resiliente y comparar esos
resultados con los ensayos de campo realizados sobre las capas del terraplén construido en
la sección terminada del pavimento. Se pueden usar modelos analíticos tales como
programas de capas elásticas para hacer predicciones teóricas de la respuesta de la sub-
rasante compuesta y esas predicciones se pueden verificar luego mediante ensayos de
campo. Algunas agencias usan ensayos de placa in-situ para verificar que se alcance un
módulo mínimo de sub-rasante compuesta. Se pueden usar dispositivos de deflexión,
incluyendo el Falling Weight Deflectometer (FWD) para ensayar sobre el terraplén
compactado por capas y sobre la superficie del pavimento construido.
Es aconsejable tener cuidado cuando se selecciona un valor de diseño para una sub-rasante
no homogénea. La experiencia demuestra que un terraplén de buena calidad debe tener
una altura significativa, como de 1.0 m ó mas, para que la reacción de la sub-rasante
compuesta se parezca a la de la capa granular. Esto significa que, para capas granulares de
hasta 1.0 m de altura, la reacción compuesta puede ser mucho menor que la del terraplén
en sí. Si se selecciona un valor de diseño de la sub-rasante muy elevado, el pavimento
estará sub-dimensionado. Las capas granulares menores de 0.45 m de espesor, tienen un
impacto mínimo en la reacción de la sub-rasante compuesta cuando se cargan en toda la
sección del pavimento.
2.1.5.3 Drenaje Subterráneo
Los sistemas de drenaje subterráneo se utilizan por tres razones básicas:
Para reducir el nivel de la napa freática
Para interceptar el flujo lateral de las aguas subterráneas debajo del pavimento.
Para remover el agua que se infiltra desde la superficie del pavimento.
Los drenes profundos (mayores de 1.00 m de profundidad), se instalan usualmente para
manejar los problemas de aguas freáticas, como se ha indicado en los dos primeros ítems
anteriores. El diseño y colocación de esos sub-drenajes, debe formar parte de las
investigaciones geotecnicas del sitio. Los drenes de borde colocados en zanjas bajo las
bermas, a poca profundidad, se usan para manejar las filtraciones de agua desde arriba del
pavimento. El diseño y colocación de esos sistemas de drenajes se discuten en la PARTE
3, Capítulo 1.
2.1.5.4 Geosinteticos
Los geosinteticos son un tipo de geomateriales que se usan para mejorar las condiciones de
los suelos en diferentes aplicaciones. Consisten de materiales poliméricos procesados,
usados en contacto con los materiales de suelos o pavimentos, como parte de un sistema
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integral hecho por el hombre (ASTM D4439). Las aplicaciones mas comunes de uso
general están en los sistemas de pavimentos, tanto para caminos pavimentados como no
pavimentados, en el refuerzo de terraplenes y suelos de cimentación, para crear barreras al
flujo del agua en revestimientos e intercepciones y para mejorar el drenaje. El término
genérico geosintetico se usa a menudo para cubrir un amplio rango de materiales,
incluyendo los geotextiles y las geomembranas. Las combinaciones de esos materiales en
sistemas de capas, normalmente se denominan geocompuestos.
Un geotextil, tal como se define en ASTM D4439, es un “geosintetico permeable
compuesto únicamente de textiles”. Estos materiales también se conocen simplemente
como textiles. Los textiles están hechos generalmente de polímeros, más comúnmente
polipropileno, aunque también incluyen poliéster, polietileno o nylon (14). Los geotextiles
generalmente se clasifican por su proceso de fabricación como tejidos y no tejidos. Ambos
tipos utilizan una fibra de polímero como materia prima. Dependiendo de la aplicación, se
pueden usar fibras simples o trenzadas por rotación en estambres, enrollando diferentes
fibras o creadas por un proceso de lámina ranurada. Los geotextiles tejidos se fabrican a
partir de fibras o estambres tejidos en la misma forma que cualquier tejido, aunque
generalmente solamente se usan patrones simples de tejido. Los geotextiles no tejidos se
hacen colocando fibras sobre una cama, ya sea en toda la longitud o en secciones cortas.
Luego se adhieren las fibras elevando la temperatura, aplicando un adhesivo químico, o en
forma mecánica (generalmente perforando la cama de tela mediante agujas y enredándolas
en una manta apretada).
Las geomallas, como su nombre lo sugiere, consisten en mallas plásticas regulares, con
grandes aberturas entre los elementos en tensión. La función de las aberturas es permitir
que los materiales del suelo circundante se inter traben a través del plano de la geomalla;
de aquí que la selección del tamaño de las aberturas depende parcialmente de la gradación
del material dentro del cual será colocada la geomalla. Las geomallas se fabrican usando
polímeros de alta densidad y de una rigidez mas elevada que la comúnmente usada para los
geotextiles. Esos polímeros se perforan luego en un patrón regular y se estiran para crear
una malla ancha. Las geomallas se describen comúnmente como biaxiales o uniaxiales,
dependiendo de si la lámina ha sido estirada en ambas direcciones o en solo una dirección.
Alternativamente se puede usar un proceso de tejido, por el cual las fibras que se cruzan se
dejan aparte y se refuerzan las uniones entre ellas.
Las geomembranas se usan para retardar o prevenir el paso de los fluidos y como tales
consisten de láminas continuas de materiales de baja permeabilidad. Estos materiales se
hacen extruyendo o calandrando29
el polímero en láminas planas, que pueden tener una
superficie rugosa, creada para ayudar al comportamiento de la membrana, incrementando
la fricción con la capa de suelo adyacente.
Hay diferentes clases de materiales geosinteticos que pueden obtenerse por ligeras
variaciones de estos tipos generales. Por ejemplo, las georedes, son similares en apariencia
a las geomallas, pero se fabrican de una manera ligeramente diferente, de tal manera que
los elementos individuales de las georedes estén a ángulos agudos unos de otros. Estos
materiales se utilizan generalmente en aplicaciones de drenaje.
Los materiales geocompuestos se crean a menudo combinando dos o más de los tipos
específicos de productos descritos previamente, para sacar ventaja de los beneficios
múltiples. Además, los geocompuestos pueden formarse combinando geosinteticos con
29
Nota del IDPP: El término calandrar se utiliza para denominar a la acción y efecto de pasar a una tela o
papel por una máquina compuesta de varios cilindros giratorios calentados para prensarlos o satinarlos.
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2.1.33
geomateriales más tradicionales, siendo el ejemplo más común el revestimiento
geosintetico de arcilla30
. Un revestimiento geosintetico de arcilla consiste de una capa de
bentonita entre geomembranas y/o geotextiles, para crear una barrera de muy baja
permeabilidad.
Hay seis funciones ampliamente reconocidas para los geosinteticos (15). Estas se muestran
en la parte superior de la Tabla 2.1.4. También se muestra la clase típica de geosintetico
utilizado para cada función. Aunque la tabla indica solamente las funciones primarias, la
mayor parte de las aplicaciones de los geosinteticos usados para un material, satisfacen
también por lo menos una función secundaria (por ejemplo, una capa de separación bajo un
pavimento pude también requerir reforzar la sub-rasante e influir en el drenaje bajo el
pavimento).
Koerner (14)31
proporciona un resumen de las funciones de los geosinteticos más usadas en
aplicaciones de transportes, la misma que se presenta en la Tabla 2.1.5. La comparación de
las Tablas 2.1.4 y 2.1.5, revela que los geotextiles y las geomallas son los materiales
geosinteticos más usados en transportes, aunque hay otros que también se usan. Esta
generalidad es mas cierta cuando solamente se considera al pavimento en sí (sin incluir
los taludes de cortes y rellenos adyacentes, los muros de contención, estribos o drenajes).
El uso mas común para los geosinteticos en los E.E.U.U. ha sido históricamente para
caminos no pavimentados, pero su uso en caminos permanentes, pavimentados, es cada
vez mayor.
Tabla 2.1.4 División de los geosinteticos por su función principal (después de 15).
Geosintetico Filtración Drenaje Separación Refuerzo Barrera Protección
Impermeable
Geotextil x x x x x
Geomalla x x
Geomembrana x
Geored x
Geocompuestos:
GCL x
Geotextil compuesto x
de lámina delgada
Geotextil impregna- x
do en el campo
Cada una de estas clases funcionales, mientras está potencialmente relacionada con las
funciones más comúnmente usadas de los geosinteticos, se refiere como un mecanismo
individual para la mejora del suelo de sub-rasante. La función de separación describe el
mantenimiento de los materiales como materiales separados y distintos. En el caso
especifico de la aplicación en pavimentación, la separación se relaciona con el
mantenimiento de los materiales no ligados de la capa de base granular, como distintos de
la sub-rasante (14, 16). Estos materiales pueden tender a mezclarse en servicio debido al
30
Nota del IDPP: GCL por sus siglas en inglés (Geosynthetic Clay Liner). 31
Nota del Traductor: Existe una versión en español traducida por el IGS-PERU.
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bombeo de la sub-rasante dentro de la base, o debido a fallas localizadas de capacidad
portante, que llevan a la migración de las partículas de agregados dentro de la sub-rasante
(17). Este comportamiento potencial ha sido confirmado en el campo, así como la
habilidad de los geosinteticos para resistirlo (18, 19). Una vez que los materiales no ligados
se mezclan con la sub-rasante, sus propiedades de resistencia y drenaje pueden verse
seriamente afectadas.
Tabla 2.1.5. Materiales Geosinteticos usados en transportes (después de 14)
Categoría General Uso Específico
Entre la sub-rasante y la base granular en caminos
Separación de materiales diferentes y aeropuertos pavimentados y no pavimentados
Entre la sub-rasante y el balasto de vías férreas.
Entre capas de pavimentos antiguos y nuevos
Sobre suelos blandos en caminos no pavimentados,
Refuerzo de materiales débiles caminos pavimentados, vías férreas y construcción
de plataformas.
Debajo de la base granular en caminos y aeropuertos
Filtro pavimentados y no pavimentados , o debajo del
balasto en vías férreas.
Drenaje interceptor para flujo horizontal.
Drenaje Dren debajo de otros sistemas de geosinteticos.
La función de refuerzo es muy similar al proceso de refuerzo en los elementos de concreto
armado. El geosintetico se introduce para proveer de elementos con resistencia a la tensión
dentro de materiales no ligados, los cuales por sí mismos, exhiben muy baja resistencia a la
tensión. Las mejoras específicas impartidas por los diseños de pavimentos, incluyen el
potencial para mejorar la restricción lateral de la base y de la sub-rasante, la modificación
de las superficies de falla por capacidad portante y la transferencia de la carga de tensión
bajo las ruedas de los neumáticos. La restricción lateral se manifiesta cuando el material de
base tiende a moverse hacia afuera, bajo las cargas de los neumáticos. El geosintetico
tiende a ser estirado como resultado de la fricción o trabazón de las partículas de agregados
y resiste esa tendencia por medio de su propia resistencia a la tensión. Las partículas son en
consecuencia mantenidas en su sitio. Las superficies de falla por capacidad portante
pueden forzarse a permanecer por encima del geosintetico, en la capa de base más
resistente. Finalmente, la tendencia de la base a deflectar bajo las cargas de las ruedas,
induce esfuerzos de tensión en la interfase base/sub-rasante, los mismos que puede ser
tomados por el geosintetico. Debe tenerse cuidado con la movilización del geosintetico, lo
cual puede requerir mayores deformaciones para alcanzar la resistencia deseada (15).
La función de filtración es similar a la función de separación, pero en este caso la razón
para la mezcla o migración de partículas son las fuerzas de filtración inducidas por el flujo
del agua a través del material no ligado. La función del filtro es proporcionar un medio que
permita al agua fluir a través de los materiales no ligados, sin pérdida excesiva de suelo
debido a las fuerzas de filtración y sin obstrucciones (14). Los filtros Zonales pueden
ofrecer la misma protección, pero pueden ser menos convenientes o prácticos de instalar.
La función drenaje está relacionada con la función de filtro en que otra vez, el
comportamiento deseado es el movimiento del agua fuera o a través del material no ligado,
con mantenimiento suficiente de las partículas en su sitio. Las diferencias están en el foco y
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en el intento; las aplicaciones de filtración tienden a estar orientadas al mantenimiento del
suelo, mientras que las aplicaciones de drenaje tienden a dar mas importancia a la cantidad
de flujo a ser mantenido o a la reducción deseada de la presión de poros en el agua.
Además, la función drenaje puede lograrse diseñando para el drenaje a lo largo del plano
del geotextil, en vez de a través del material no ligado circundante.
La función específica a ser proporcionada por el geosintetico en aplicaciones de transportes
es función de las condiciones del suelo. Holtz y colaboradores (15), señalan a las siguientes
como las funciones más comunes en función de la resistencia del suelo (Tabla 2.1.6).
Tabla 2.1.6 Función de los geosinteticos vs. Propiedades de la sub-rasante (después de 15)
Su (kPa) CBR Función
60-90 2-3 Filtración, alguna separación
30-60 1-2 Filtración, separación y algún refuerzo
< 30 < 1 Filtración, separación y refuerzo
El rango de funciones que potencialmente pueden ser atendidas por los geosinteticos se
incrementa potencialmente a medida que disminuye la resistencia de la sub-rasante. En
todos los casos reportados en la Tabla 2.1.6, las condiciones de suelos son más bien
pobres. De hecho, Holtz y colaboradores (15), indican que los geosinteticos son más
apropiados bajo las condiciones descritas en la Tabla 2.1.7
Tabla 2.1.7 Condiciones más apropiadas para el uso de geosinteticos (después de 15)
Condición Medidas Relacionadas
Suelos pobres Suelos SUCS: SC, CL, CH, ML, MH, OL, PT; o
Suelos AASHTO: A-5, A-6, A-7, A-7-6
Baja Resistencia cu < 13 psi, o CBR < 3%, o MR < 4,500 psi
Nivel freático elevado Dentro de la zona de influencia de las cargas superficiales
Sensibilidad elevada Resistencia no disturbada elevada en comparación con la resistencia
remoldeada
Consideraciones para el Diseño con Geosinteticos
Koerner (14), describe tres enfoques potenciales de diseño – diseño por costo, diseño por
especificación y diseño por función – para diseñar geosinteticos en aplicaciones de
ingeniería. Los dos últimos enfoques que se relacionan con el diseño racional e ingeniería,
se describen a continuación para aumentar el rigor y la sofisticación:
Diseño por Especificación
En este caso se seleccionan las funciones requeridas para el geosintetico y se redactan las
especificaciones para satisfacer estas funciones, según reglas específicas de una
especificación guía o de una política. Así, muchas agencias usan el estándar AASHTO M
288 como un enfoque de diseño. En este estándar AASHTO, se seleccionan los tipos de
diseño AASHTO, basados en las propiedades del suelo a ser mejorado y la función
específica primaria a ser alcanzada por el geosintetico, luego se selecciona un geosintetico
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2.1.36
que excede los requerimientos del tipo de diseño. El estándar AASHTO está basado en la
suposición de que la supervivencia durante el procedimiento constructivo es la clave en el
diseño. De hecho, los métodos de diseño de pavimentos que usan esta especificación (15)
asumen que la función principal de los geosinteticos es reducir los requerimientos
adicionales para la instalación de una plataforma de construcción y que los beneficios
potenciales de los geosinteticos no están incorporados en el diseño estructural del
pavimento. Esta suposición está basada en la expectativa de que se podrían requerir
grandes deformaciones inaceptables para movilizar la resistencia del geosintetico si se
esperara la influencia del comportamiento de la sub-rasante a largo plazo.
En la Tabla 2.1.8, se da una lista de las propiedades potencialmente importantes y los
métodos de medición existentes. Los fabricantes comúnmente reportan algunos de esos
valores en la literatura de sus productos. Debe tenerse cuidado al comparar la información
de los fabricantes con los requerimientos mínimos presentados en el estándar AASHTO,
toda vez que los fabricantes a menudo reportan valores promedio por rollo o lote, en vez de
valores mínimos. Muchos fabricantes proporcionan la clase de supervivencia AASHTO
con la literatura de sus productos.
El diseño de geosinteticos usando ASSHTO M 288 se hace siguiendo los siguientes pasos
(tomado de 15). Un aspecto clave de este método es la suposición de que el diseño
estructural del pavimento no se modifica en el procedimiento. Para el diseño de pavimento
se sigue exactamente el procedimiento estándar, como si el geosintetico no estuviera
presente. El geosintetico reemplaza a los materiales no ligados adicionales que podrían
necesitarse para apoyar las labores de construcción y no reemplaza a ninguna parte de la
sección del pavimento en sí.
1. Identificar las propiedades de la sub-rasante, incluyendo el CBR, ubicación del
nivel freático, clasificación Unificada y/o AASHTO y sensitividad.
2. Compare esas propiedades con las de la Tabla 2.1.7 o con las políticas locales.
Determine si se requiere el uso de un geosintetico.
3. Diseñe el pavimento sin tomar en cuenta al geosintetico usando procedimientos
normales de diseño de pavimentos.
4. Determine la necesidad de materiales granulares importados para mejoramiento,
mezclándolos en la interfase base/sub-rasante. Si se requieren, determinar su
espesor t1.
5. Determine la necesidad de materiales granulares importados para establecer una
plataforma de construcción. El procedimiento de la FHWA, requiere el uso de las
curvas del USFS (siglas en inglés del Servicio de Bosques de los E.E.U.U.) para el
espesor de los materiales granulares vs. la presión de inflado esperada y la
capacidad portante de la sub-rasante. Alternativamente se pueden usar políticas o
cartas locales. Este espesor es t2.
6. Seleccionar el mayor valor entre t1 y t2.
7. Verifique el criterio de filtro para el geosintetico a ser usado. Entre las medidas mas
importantes están el tamaño de la abertura aparente (AOS por sus siglas en inglés),
la permeabilidad, la permitividad del geotextil y el tamaño de abertura al 95%,
definido como el diámetro de las cuentas de vidrio, un 95% de las cuales será
retenido por el geosintetico. Estos valores serán comparados con un valor mínimo
estándar o con las propiedades del suelo.
8. Determinar el criterio de supervivencia. El diseño está basado en la suposición de
que el geosintetico no puede funcionar a menos que sobreviva al proceso
constructivo. El estándar AASHTO M288, categoriza los requerimientos para los
geosinteticos, en base a la clase de supervivencia. Los requerimientos para el
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2.1.37
Tabla 2.1.8 Propiedades de los geosinteticos y métodos de ensayo relevantes (14)
Propiedad Método de Ensayo Valores Típicos
Resistencia a la Abrasión ASTM D1175, D4886
ISO 13427 -----
Tamaño de Abertura Aparente ASTM D475132
ISO 12956 -----
Peso Base ASTM D526133
150 – 750 g/m2
(Masa por Unidad de Area) ISO 9864
Oclusión ASTM D5084, D5101 -----
Resistencia al Flujo Plástico ASTM D5262
ISO 13431
Rigidez a la Flexión ASTM D1388 1000 – 25000 mg-cm
Propiedades Friccionantes ASTM D5321 -----
(Mohr-Coulomb)
Transmisividad (Permeabilidad ASTM D4716
en el Plano) ISO 12958 3x10-9
– 2x10-6
m2/seg
Permitividad Descargado ASTM D449134
-----
(Perm. transv. ISO 11058
al plano) Cargado ASTM D5493 -----
Resistencia al Punzonamiento ASTM D483335
-----
ISO 12236
Resistencia de la Costura ASTM D4884 -----
ISO 10321
Retención de Suelo ASTM D5141 -----
PVC: Gs= 1.69
Gravedad Específica ASTM D792 Poliester: Gs= 1.38-1.22
ASTM D1505 Nylon: Gs= 1.38-1.22
Polietileno: Gs= 0.9-0.96
Polipropileno: Gs= 0.91
Elmendorf ASTM D1424 -----
Resist. al Desgarre Lengua ASTM D751 -----
Trapezoidal ASTM D4533 -----
Resis. A la Tensión Grab ASTM D463236
-----
Banda Ancha ISO 10319
Espesor ASTM D519937
0.25 – 7.5 mm
ISO 9863
estándar incluyen las resistencias (grab, de costura, al desgarramiento, al punzonado
y al estallido), la permitividad, el tamaño de abertura aparente y la resistencia a la
32
Nota del IDPP: ver también NTP 339.509 (2001) 33
Nota del IDPP: ver también NTP 339.507 (2001) 34
Nota del IDPP: ver también NTP 339.508 (2001) 35
Nota del IDPP: ver también NTP 339.506 (2001) 36
Nota del IDPP: ver también NTP 339.511 (2001) 37
Nota del IDPP: ver también NTP 339.512 (2001)
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2.1.38
degradación ultra violeta, basada en la clase de supervivencia, la cual se obtiene de
la Tabla 2.1.9.Seleccionar un geosintetico que cumpla o exceda los requerimientos
del estándar M288, para una calificación apropiada de la Supervivencia.
Los procedimientos de instalación en el campo introducen ciertos aspectos; el estándar
AASHTO M288-99, incluye una especificación guía para la construcción. Holtz y
colaboradores (15), recomiendan modificar esta especificación para adaptarla a las
condiciones del sitio y a las prácticas de los contratistas locales. Los aspectos y criterios
para la instalación en el campo incluyen por ejemplo el traslape en la costura y los
requerimientos de cosido, secuencia de construcción y control de calidad.
Diseño por Función
El enfoque de diseño por función intenta seguir un enfoque de diseño más mecanístico. El
enfoque recomendado por Koerner (14), es una formulación de diseño por esfuerzo
permisible (ASD por sus siglas en inglés). En esta formulación, se desarrollan las
resistencias requeridas para cada mecanismo potencial de falla y se selecciona el
geosintetico, de tal manera que cumpla o exceda los requerimientos. Se determina el
esfuerzo permisible usando un enfoque relativamente común, pero con factores que
consideran ciertos comportamientos individuales incluyendo los daños por instalación, el
flujo plástico, la degradación química y la degradación biológica. Este enfoque de diseño
debería conducir a reducciones en la sección estructural del pavimento y en el caso de la
decisión sobre el uso de geosinteticos, es parte de un análisis del costo del ciclo de vida
para la estructura del pavimento. El uso de un geosintetico generalmente disminuye la
necesidad de empleo de otros materiales y por tanto cubre su costo. El geosintetico
específico a ser usado se escoge para cumplir o exceder las necesidades de su aplicación
particular por medio del cálculo del comportamiento deseado del geosinteticos.
Tabla 2.1.9 Calificación de la supervivencia de los geosinteticos a la construcción (15).
CBR del Suelo1 < 1 1-2 3 ó mas
Presión de Contacto > 350 < 350 > 350 < 350 > 350 < 350
del equipo sobre el
Terreno (kPa)
Espesor compactado
de la cubierta2 (mm)
1003,4
NR5 NR 1
5 1 2
5 2
150 NR NR 1 1 2 2
300 NR 1 2 2 2 2
450 1 2 2 2 2 2
Notas: 1 Asumir saturado a menos que se pueda controlar el programa de construcción
2 El tamaño máximo del agregado no debe exceder la mitad del espesor compactado de la cubierta.
3 Para caminos no pavimentados de bajo volumen (ADT < 200)
4 El valor de 100 mm mínimo está limitado a bases de caminos existentes y no debe usarse en caminos
nuevos. 5 NR = No Recomendado; 1 = clase de supervivencia alta; 2 = clase de supervivencia moderada según
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Por ejemplo, en una aplicación de drenaje, la permeabilidad del geosintetico podría ser la
medida funcional apropiada, mientras que en una aplicación de refuerzo podría ser más
apropiada la resistencia a la tensión del geosintetico. La resistencia requerida se calcula
para la aplicación en particular. Luego se puede aplicar un factor de seguridad, de tal
manera que se pueda asignar el valor limitante de la medida funcional requerida. Luego se
debería seleccionar un geosintetico que proporcione los requerimientos funcionales para la
aplicación específica, en base a este límite permisible.
Este enfoque requiere que uno sea capaz de estimar el valor de las medidas funcionales
principal y secundaria para la aplicación especifica que esta siendo considerada. Para hacer
esto, uno debe ser capaz de analizar el comportamiento del geosintetico en el campo para
la aplicación que se intenta. Al momento parece que no hay confianza de las agencias en la
predicción el comportamiento en el campo. Koerner (14) proporciona una cierta cantidad
de métodos para estimar los valores requeridos para las propiedades de los geosinteticos,
pero no proporciona una mirada hacia el interior en el análisis del problema. Al momento,
el enfoque mas común usado por las agencias parece ser el diseño por especificación.
2.1.5.5 Encapsulado de Suelos
El encapsulado de suelos es una técnica de estabilización que ha sido usada para proteger a
los suelos sensibles a la humedad de grandes variaciones en el contenido de humedad. Sin
embargo, esta técnica se usa muy poco para mejorar la cimentación de caminos de alto
volumen de tráfico. Mayormente se usa como una capa de cimentación o sub-base en
caminos de bajo volumen de tráfico, donde está restringida la importación de materiales de
pavimentación de alta calidad desde el punto de vista del costo. El concepto de
encapsulamiento de suelos se restringe a suelos de gradación fina, a contenidos de
humedad cercanos al óptimo o ligeramente por debajo de él, donde la resistencia del suelo
puede soportar cargas y tráfico mas pesados.
Los suelos de grano fino pueden aportar adecuadas resistencias soportantes para su uso
como capas estructurales en pavimentos o terraplenes, siempre que su contenido de
humedad permanezca por debajo del óptimo. Sin embargo, los incrementos en el contenido
de humedad por encima del óptimo pueden causar una reducción significativa en el
módulo resiliente y en la resistencia de estos suelos. El incremento del contenido de
humedad en los suelos de granos finos debajo del pavimento ocurre a lo largo del tiempo,
especialmente en áreas sujetas a la penetración de las heladas con ciclos de hielo-deshielo.
Por lo tanto, los suelos de granos finos no se pueden usar como capas de base o sub-base, a
menos que se protejan contra cualquier incremento en la humedad.
El concepto de encapsulado de suelos, referido a veces como capa de suelo encapsulado en
una membrana (MESL por sus siglas en inglés), es un método para mantener el contenido
de humedad del suelo al nivel deseado, por medio de encapsular al suelo en membranas
impermeables. Estas membranas previenen que el agua se infiltre hacia los suelos sensibles
a la humedad. El módulo resiliente medido a, o debajo de la condición óptima, permanece
relativamente constante a lo largo de la vida de diseño del pavimento.
La sub-rasante preparada, normalmente se riega con una emulsión asfáltica antes de
colocar la membrana de fondo de polietileno. Esta emulsión asfáltica proporciona una
protección adicional de impermeabilidad para el caso en que la membrana se perfore
durante el proceso constructivo y a la vez actúa como un agente adhesivo para la
membrana cuando se coloca en condiciones ventosas. Se coloca la primera capa de suelo
en espesor suficiente tal que el equipo de construcción no desplace el material subyacente.
El terraplén de suelo terminado también se riega con una emulsión asfáltica antes de
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colocar la membrana superior. La parte superior de la membrana también se riega con la
misma emulsión asfáltica y se cubre con una capa delgada de arena limpia para absorber el
asfalto en exceso y para proporcionar una protección adicional contra el punzonamiento
por el equipo de construcción usado para colocar las capas superiores de pavimentación.
La confiabilidad de este método para mantener el módulo resiliente y la resistencia del
suelo de cimentación por períodos largos de tiempo, es desconocida. Más importante aún,
el mantenimiento de la carretera y la instalación de servicios, limitan el uso de esta técnica.
Por lo tanto, no se recomienda el uso de esta técnica de mejoramiento, a menos que no
haya otra opción disponible.
Si se emplea esta técnica, el diseñador del pavimento debe ser precavido respecto del
EICM para predecir los cambios en el contenido de humedad a lo largo del tiempo. Se
requieren cálculos especiales de diseño para caracterizar el cambio en el contenido de
humedad del MESL en el tiempo. Se debe mantener constante el módulo resiliente usado
en el diseño para el MESL a lo largo de la vida de diseño del pavimento. El diseñador debe
también recordar que cualquier servicio colocado después de la construcción del
pavimento, podría invalidar esta suposición.
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