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EJÉRCITO NACIONAL

J E F A T U R A D E I N G E N I E R O S M I L I T A R E S

C O N T R A T O - 9 3 0 - 2 0 1 2

INFORME PRIMER ENTREGABLE

TOMO II DISEÑO GENERAL

VÍAS MODULO 4 TIBU

TIBU-GUAIMALITO-LA GABARRA

VOLUMEN VI ESTUDIO GEOTECNICO PARA DISEÑO DE

PAVIMENTOS

PARA LOS ESTUDIOS Y DISEÑOS EN LAS VÍAS: 1) LA JULIA - CRUCE DE

ORIENTE (META), 2) PAUJIL – LA UNIÓN PENEYA (CAQUETÁ) 3)

PLANADAS– GAITANIA (TOLIMA) 4) AEROPISTA MUNICIPIO DE

PLANADAS (TOLIMA) 5) ATACO – PLANADAS “SECTOR LABRECHA” 6)

MONDOMO – TRES QUEBRADAS – SAN PEDRO (CAUCA) 7 TIBU –

GUAMALITO- LA GABARRA NORTE DE SANTANDER

BOGOTA D.C

ABRIL DE 2013

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JEFATURA DE INGENIEROS

MILITARES

PARA LOS ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LAS VIAS 1) La

Julia Cruce De Oriente (Meta), 2) Paujil- La Unión Peneya

(Caquetá) 3) Planadas- Gaitania (Tolima) 4) Aeropista

de Planadas (Tolima) 5 Ataco-Planadas, Sector La

Brecha (Tolima), 6) Mondomo-Tres Quebradas- San

Pedro (Cauca) 7) Tibú - La Gabarra

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E-mail: [email protected] - Bogotá D.C. – Colombia

CONTROL DE REVISIONES Y CAMBIOS

VERSIÓN NOMBRE CARGO FIRMA DESCRIPCIÓN DE LAS

MODIFICACIONES

0

ELABORÓ Ing. Manuel Meza

Soto

Especialista en

Pavimentos

Versión inicial REVISÓ Ing. Manuel Meza Especialista en

Pavimentos

APROBÓ Miguel Serrano

Arévalo Director

1

ELABORÓ Ing. Manuel Meza

Soto

Especialista en

Pavimentos

Observaciones

Interventoría REVISÓ Ing. Manuel Meza

Especialista en

Pavimentos

APROBÓ Miguel Serrano

Arévalo Director

CONTROL DE DISTRIBUCIÓN DE DOCUMENTOS

No. Entregado a

Ver. 0 Ver. 1 Ver. 2

Fecha Firma Fecha Firma Fecha Firma

1 Supervisión del

Contrato 08/04/2013 28/5/2013

2

3

4

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CONTENIDO

Pág.

1. INTRODUCCION ................................................................................................. 8

2. OBJETIVOS .......................................................................................................... 9

3. ALCANCE ......................................................................................................... 10

4. LOCALIZACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO .......................................... 10

5. INVESTIGACIÓN GEOTÉCNICA ....................................................................... 12

5.1. EXPLORACIÓN DE CAMPO.............................................................................. 12

5.2. PERFIL ESTRATIGRÁFICO ................................................................................... 13

5.3. CAPACIDAD DE SOPORTE DE LA SUBRASANTE ............................................... 18

5.4. MÓDULO RESILIENTE ......................................................................................... 21

5.5. POTENCIAL EXPANSIVO DE LA SUBRASANTE .................................................. 21

6. TRÁNSITO DE DISEÑO ....................................................................................... 25

6.1. TRÁNSITO DE DISEÑO, NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES – NEE ..................... 25

6.2. PERIODO DE DISEÑO ........................................................................................ 26

6.3. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO ....................................................................... 26

7. DISEÑO DEL PAVIMENTO FLEXIBLE .................................................................. 29

7.1. MANUAL INVIAS ............................................................................................... 29

7.1.1. MÓDULO RESILIENTE PROMEDIO DE LA SUBRASANTE ..................................... 30

7.1.2. TRANSITO EQUIVALENTE DE DISEÑO ................................................................ 31

7.1.3. TEMPERATURA MEDIA ANUAL PONDERADA (TMAP) ...................................... 31

7.1.4. PRECIPITACIÓN ANUAL ................................................................................... 32

7.1.5. ESPESORES DE DISEÑO ..................................................................................... 32

7.2. METODO AASHTO 1993 ................................................................................... 34

7.2.1. CONSTANTES DE ESTADÍSTICAS Y SERVICIABILIDAD ...................................... 35

7.2.1.1. CONFIABILIDAD DEL DISEÑO ........................................................................... 35

7.2.1.2. COEFICIENTE DE APORTE ................................................................................. 36

7.2.1.2.1. CONCRETO ASFÁLTICO ............................................................................ 36

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7.2.1.2.2. BASE GRANULAR ...................................................................................... 36

7.2.1.2.3. SUELO ESTABILIZADO CON CEMENTO ..................................................... 37

7.2.1.2.4. SUBBASE GRANULAR ................................................................................ 38

7.2.1.2.5. COEFICIENTE DE DRENAJE ....................................................................... 38

7.2.1.3. DETERMINACIÓN DE ESPESORES ..................................................................... 39

7.3. METODO MECANICISTA .................................................................................. 45

7.3.1. AGRIETAMIENTO POR FATIGA ......................................................................... 45

7.3.2. AGRIETAMIENTO POR AHUELLAMIENTO .......................................................... 46

7.3.3. SECCIONES TÍPICAS DE DISEÑO ...................................................................... 51

8. MATERIALES DE CONSTRUCCION .................................................................... 52

8.1. ESPECIFICACIONES DE CONSTRUCCIÓN ....................................................... 52

8.2. FUENTES DE MATERIALES .................................................................................. 52

9. DISEÑO DE MEZCLA ASFALTICA ...................................................................... 55

10. DISEÑO DE SUELO CEMENTO ........................................................................... 57

11. ANALISIS ECONOMICO DE ALTERNATIVAS ..................................................... 59

12. CONCLUSIONES ............................................................................................... 60

13. RECOMENDACIONES ....................................................................................... 62

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ÍNDICE DE TABLAS

Pág.

TABLA 1 RESULTADOS DE CBR (%) VÍA TIBÚ – LA GABARRA .................................................................... 18 TABLA 2 SECTORIZACIÓN DE DISEÑO VÍA TIBÚ - LA GABARRA .............................................................. 21 TABLA 3 POTENCIAL EXPANSIVO DE LOS SUELOS (INVIAS) ..................................................................... 22 TABLA 4 EVALUACIÓN DEL POTENCIAL EXPANSIVO DE LA SUBRASANTE VÍA TIBÚ – LA GABARRA

....................................................................................................................................................................... 22 TABLA 5TRANSITO PROMEDIO DIARIO VÍA TIBÚ - LA GABARRA ............................................................. 26 TABLA 6 FACTORES DAÑO INVIAS ................................................................................................................. 27 TABLA 7 ESTIMACIÓN DE EJES EQUIVALENTES A PARTIR DEL TRANSITO CONSOLIDADO PARA EL

CARRIL DE DISEÑO .................................................................................................................................... 28 TABLA 8 NÚMERO TOTAL DE EJES EQUIVALENTES 8.2 TON PARA EL CARRIL DE DISEÑO ................. 28 TABLA 9 CATEGORÍAS DE LA SUBRASANTE .................................................................................................. 30 TABLA 10 CATEGORÍAS DE LA SUBRASANTE ............................................................................................... 30 TABLA 11RANGOS DE TRÁNSITO CONTEMPLADOS EN EL MANUAL INVIAS ........................................ 31 TABLA 12 CATEGORIZACIÓN DE TRÁNSITO SEGÚN MANUAL INVIAS ................................................... 31 TABLA 13REGIONES CLIMÁTICAS SEGÚN LA TEMPERATURA Y PRECIPITACIÓN ................................. 32 TABLA 14RANGOS CONTEMPLADOS EN LAS CARTAS DE DISEÑO MANUAL INVIAS ........................ 33 TABLA 15 PARÁMETROS Y CARTA DE DISEÑO ............................................................................................ 33 TABLA 16 ESPESORES DE DISEÑO ALTERNATIVA GRANULARES CONVENCIONALES ........................ 33 TABLA 17 ESPESORES DE DISEÑO ALTERNATIVA CON BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO........... 34 TABLA 18 NIVELES DE CONFIABILIDAD RECOMENDADOS AASHTO ..................................................... 35 TABLA 19 PARÁMETROS AASHTO VÍA TIBÚ - LA GABARRA ...................................................................... 39 TABLA 20 CÁLCULO MÉTODO AASHTO VÍA TIBÚ - LA GABARRA GRANULARES

CONVENCIONALES .................................................................................................................................. 40 TABLA 21 ESPESORES DE DISEÑO MÉTODO AASHTO VÍA TIBÚ - LA GABARRA GRANULARES

CONVENCIONALES .................................................................................................................................. 43 TABLA 22 CÁLCULO MÉTODO AASHTO VÍA TIBÚ - LA GABARRA SUELO ESTABILIZADO CON

CEMENTO .................................................................................................................................................... 44 TABLA 23 ESPESORES DE DISEÑO MÉTODO AASHTO VÍA TIBÚ - LA GABARRA SUELO ESTABILIZADO

CON CEMENTO ......................................................................................................................................... 44 TABLA 24 FACTOR DE DESPLAZAMIENTO EN FUNCIÓN DE LA CONFIABILIDAD ................................ 46 TABLA 25 VERIFICACIÓN ESTRUCTURA MÉTODO EMPÍRICO MECANICISTA VÍA TIBÚ - LA

GABARRA GRANULARES CONVENCIONALES ................................................................................... 47 TABLA 26VERIFICACIÓN ESTRUCTURA MÉTODO EMPÍRICO MECANICISTA VÍA TIBÚ - LA GABARRA

SUELO ESTABILIZADO CON CEMENTO ................................................................................................. 48 TABLA 27 REVISIÓN DISEÑO DEL PAVIMENTO MEPADS – ALTERNATIVA 1 ........................................... 48 TABLA 28 REVISIÓN DISEÑO DEL PAVIMENTO MEPADS – ALTERNATIVA 2 ........................................... 49 TABLA 29 ESPECIFICACIONES DE MATERIALES ........................................................................................... 52 TABLA 30 FÓRMULA DE TRABAJO MDC-2 ................................................................................................... 56 TABLA 31 COMPARACIÓN ECONÓMICA DE ALTERNATIVAS ................................................................. 59

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ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA 1 LOCALIZACIÓN VÍA EN ESTUDIO ................................................................................................. 10 FIGURA 2 PERFIL ESTRATIGRÁFICO VÍA TIBÚ – LA GABARRA ................................................................... 14 FIGURA 3 GRÁFICO DE DIFERENCIAS ACUMULADAS .............................................................................. 20 FIGURA 4 CARTA PARA ESTIMAR EL COEFICIENTE DE APORTE DE BASES GRANULARES ................. 37 FIGURA 5 CARTA PARA ESTIMAR EL COEFICIENTE DE APORTE DE SUELO ESTABILIZADO CON

CEMENTO .................................................................................................................................................... 37 FIGURA 6 CARTA PARA ESTIMAR EL COEFICIENTE DE APORTE DE SUBBASES GRANULARES .......... 38 FIGURA 7 DETERMINACIÓN DE ESPESORES DE CAPA .............................................................................. 39 FIGURA 8 SECCIÓN TÍPICA ALTERNATIVA GRANULARES CONVENCIONALES ................................... 51 FIGURA 9 SECCIÓN TÍPICA ALTERNATIVA SUELO ESTABILIZADO CON CEMENTO ............................. 51 FIGURA 10 CONTENIDO ÓPTIMO DE SUELO CEMENTO ........................................................................... 58

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LISTADO DE ANEXOS

ANEXO 1 RESUMEN GEOTECNIA

ANEXO 2 ESTUDIO DE SUELOS

ANEXO 3 CARTA DE DISEÑO INVIAS

ANEXO 4 MEMORIA CÁLCULO ESFUERZO Y DEFORMACIONES

ANEXO 5 DISEÑO DE MEZCLA ASFALTICA

ANEXO 6 DISEÑO DE SUELO CEMENTO

ANEXO 7 REGISTRO FOTOGRÁFICO

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1. INTRODUCCION

El presente documento contiene los estudios y diseños para el pavimento de

la vía Tibú – La Gabarra (K22+000 – K48+500), ubicadas en el departamento

de Norte de Santander. Con el objeto de cumplir con lo anterior, se ha

dispuesto la recopilación de la información pertinente y la ejecución de los

ensayos necesarios. Esta información incluye el análisis del tránsito de la vía y

la exploración y caracterización geotécnica de la zona en estudio.

Los diseños se ejecutarán de acuerdo con las metodologías tradicionalmente

empleadas en nuestro país, como son el Manual de Diseño de Pavimentos

del INVIAS 2008, Método AASHTO 1993, y el Método de verificación Mecánico

– Empírico teniendo en cuenta los modelos recomendados por la Guía de

Rehabilitación del INVIAS 2008.

Finalmente se presentan las conclusiones finales del presente estudio y

recomendaciones particulares de construcción para la pavimentación del

proyecto, teniendo en cuenta los materiales disponibles en el proyecto.

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2. OBJETIVOS

Estudiar y reconocer el proyecto in situ, con el fin de identificar los

probables problemas y soluciones asociados a la pavimentación, con

base en información existente y particularidades del proyecto.

Realizar la exploración geotécnica y ensayos de laboratorios de

acuerdo a las normas y especificaciones del INVIAS 2007.

Analizar los resultados geotécnicos de los suelos existentes, y determinar

los sectores de comportamiento homogéneo.

Revisar la presencia de inestabilidad volumétrica de los suelos, con

base en los parámetros del suelo de subrasante.

Determinar el parámetro de resistencia de la subrasante Módulo

Resiliente (Mr) para cada unidad de diseño, con base en

procedimientos de los métodos de diseño que, correlacionan se

determinan en función de los resultados del ensayo clásico CBR.

Determinar el tránsito de diseño expresado en términos ejes

equivalentes, para el carril y período de diseño, basados en la

información de conteos realizada.

Proponer alternativas de diseño para el pavimento de la vía en estudio,

con base en la información obtenida, el análisis detallado de las

variables presentes, el criterio de este consultor y las buenas prácticas

de ingeniería.

Presentar conclusiones y recomendaciones del estudio, asociados a

facilitar la materialización de las obras.

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3. ALCANCE

Elaborar los estudios geotécnicos y los diseños de la estructuras de pavimento

de acuerdo a las recomendaciones de INVIAS y a las metodologías

propuestas por los diferentes organismos a nivel internacional.

4. LOCALIZACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

Tibú es un municipio de Colombia en el departamento de Norte de

Santander, situado al nordeste del país, en la frontera con Venezuela y a

orillas del río Tibú. Geográficamente se encuentra ubicada en el valle del río

Catatumbo y sus diferentes afluentes. Su extensión territorial es de 2.696 km²,

su altura de 75 m sobre el nivel del mar y su temperatura promedio es de

32°C. Limita hacia el norte y oriente con Venezuela, hacia el sur con los

municipios de Cúcuta y Sardinata, y hacia el occidente con los municipios de

Teorama, El Tarra y San Calixto. En la siguiente figura se muestra la

localización de las vías reseñadas anteriormente.

Figura 1 Localización vía en estudio

http://es.wikipedia.org/wiki/Colombia

http://es.wikipedia.org/wiki/Norte_de_Santander

http://es.wikipedia.org/wiki/Norte_de_Santander

http://es.wikipedia.org/wiki/Venezuela

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=R%C3%ADo_Tib%C3%BA&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Nivel_del_mar

http://es.wikipedia.org/wiki/Rep%C3%BAblica_Bolivariana_de_Venezuela

http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%BAcuta

http://es.wikipedia.org/wiki/Sardinata

http://es.wikipedia.org/wiki/Teorama

http://es.wikipedia.org/wiki/El_Tarra

http://es.wikipedia.org/wiki/San_Calixto_(Colombia)

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La economía del municipio de Tibú, depende principalmente de la

explotación petrolera, ya que este cuenta con grandes reservas de petróleo

en su interior, además de esto cuenta con importantes hectáreas de cultivos

de cacao, yuca, maíz y palma de aceite, este último en aumento; cabe

destacar que este municipio es muy comercial por ser fronterizo con la

república bolivariana de Venezuela.

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5. INVESTIGACIÓN GEOTÉCNICA

5.1. EXPLORACIÓN DE CAMPO

Los trabajos de exploración de campo consistieron en la ejecución de

apiques cada 250 m tal como lo recomienda el INVIAS en el capítulo 5 del

manual de diseño de pavimentos para vías con medio y altos volúmenes. La

exploración se realizó con el fin de determinar la calidad de los materiales del

subsuelo y sus características físicas y mecánicas. Para cada apique se

describió la estratigrafía del suelo (espesor y descripción física de los

materiales existentes), se clasificaron las muestras obtenidas y se determinó la

capacidad de soporte de la subrasante mediante el ensayo de CBR y el

método del penetrómetro dinámico de cono (PDC).

Los apiques fueron realizados hasta una profundidad de 1.5 m, superior a la

mínima establecida por el manual INVIAS (1.2 m) para vías con este nivel de

tránsito (inferior a 2 millones de ejes equivalentes).

Para caracterizar el suelo explorado, se realizaron los siguientes ensayos con

base en las normas del INVIAS 2007:

Granulometría por Tamizado (INV E 123 - 07)

Límite Líquido (INV E 125 - 07)

Límite Plástico (INV E 126 - 07)

CBR Método I (INV E 148 – 07)

Humedad Natural (INV E 122 – 07)

Análisis granulométrico de agregados gruesos y finos (INV E 213 – 07)

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En el Anexo No.1 se presenta el resumen con los resultados obtenidos de la

caracterización de los suelos explorados y en el Anexo 2se adjunta el detalle

del estudio geotécnico.

De los resultados obtenidos se observa que los suelos de subrasante

presentan un límite líquido que fluctúa entre 36% y 56%. El límite plástico oscila

entre 13% y 25%. El índice de plasticidad presenta valores entre 20% y 34%. No

se encontró el nivel freático en ninguno de los apiques realizados, pero se

anota que la exploración se realizó en el mes de marzo, el cual se caracteriza

por bajas precipitaciones

5.2. PERFIL ESTRATIGRÁFICO

El perfil estratigráfico de los suelos del sector muestran la presencia de una

capa de material asfaltico entre el K22+500 al K22+750 con espesores de 2 y 3

cm. La capa inicial está formada principalmente por materiales granulares

gravosos con espesor promedio de 20 cm y que varía entre 5 y 87 cm, en el

K31+000 y el K22+500, respectivamente. Esta situación varía en las abscisas

K27+250 al K30+750 en las cuales se intercalan con materiales de tipo

arenoso. Del K22+000 al K26+500, la capa subyacente está formada por

material arcilloso, hasta la profundidad de 1.5 m. desde esta abscisa hasta el

K42+000 de la segunda capa de material la conforman arenas arcillosas y

limoarcillosas, exceptuando la zona del K35+250 en la que se detectó

material limoso. Del K42+000 al K48+500 aparecen otra vez materiales del tipo

arcilla. En la siguiente figura se muestra el perfil de los suelos encontrados.

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Figura 2 Perfil Estratigráfico vía Tibú – La Gabarra

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5.3. CAPACIDAD DE SOPORTE DE LA SUBRASANTE

A continuación se detallan los resultados obtenidos del ensayo de CBR, para

cada uno de los tramos estudiados. Adicional a estos ensayos se efectuaron

pruebas de PDC para correlacionar el CBR. Para esto se utilizó la siguiente

expresión la cual hace parte de las normas y recomendaciones del INVIAS:

Tabla 1 Resultados de CBR (%) vía Tibú – La Gabarra

Apique Abscisa Profundidad (m) CBR (%)

Desde Hasta Natural Inmersión PDC

1 K22+000 0.6 0.9

13.20

1A K22+000 0.6 0.9

11.00

1 K22+250 0.1 1.5 11.50 6.80

1B K22+250 0.6 0.9

11.61

1C K22+500 0.9 1.5 9.97 5.54

3 K22+750 0.7 1.1

8.93

1D K22+750 0.6 1.0

11.18

4 K23+000 0.7 1.2

8.47

5 K23+250 0.7 1.1

10.37

6 K23+500 0.8 1.5 8.77 4.87

7 K23+750 0.7 1.1

9.93

8 K24+000 0.7 1.0

12.05

9 K24+250 0.7 1.1

11.75

10 K24+500 0.7 1.0

14.02

11 K24+750 0.15 1.5 16.19 9.52

12 K25+000 0.7 1.0

11.38

13 K25+250 0.15 1.5 10.61 5.89

14 K25+500 0.7 1.1

10.56

15 K25+750 0.7 1.0

16.79

16 K26+000 0.1 0.4

12.09

17 K26+250 0.1 0.4

17.61

18 K26+500 0.17 1.5 9.42 6.28

19 K26+750 0.1 0.3

26.20

20 K27+000 0.1 0.4

14.67

21 K27+250 0.1 0.4

13.18

22 K27+500 0.1 1.5 11.89 7.00

23 K27+750 0.1 0.4

15.71

24 K28+000

13.18

25 K28+250 0.1 0.4

14.02

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Apique Abscisa Profundidad (m) CBR (%)

Desde Hasta Natural Inmersión PDC

26 K28+500 0.2 1.5 15.99 9.43

27 K28+750 0.1 0.4

14.67

28 K29+000 0.1 0.3

29 K29+250 0.1 0.4

14.83

30 K29+500 0.1 1.5 15.50 9.11

32 K30+000 0.15 1.5 9.88 5.81

39 K31+750 0.1 1.5 22.26 13.09 14,3

42 K32+500 0.19 1.5 12.23 6.36

47 K33+750 0.19 1.5 5.36 2.98

49 K34+250 0.15 1.5 14.67 7.74

55 K35+750 0.15 1.5 12.18 7.15 20,5

58 K36+500 0.16 1.5 12.67 7.03

63 K37+750 0.1 1.5 13.05 8.16

65 K38+250 0.1 1.5 12.69 7.04

70 K39+500 0.14 1.5 16.59 9.76

73 K40+250 0.18 1.5 12.03 7.07 16.3

79 K41+750 0.5 1.5 14.19 7.88

81 K42+250 0.17 1.5 12.69 7.46

87 K43+750 0.18 1.5 6.83 4.02

91 K44+750 0.2 1.5 12.47 6.57 17.8

94 K45+500 0.5 1.5 11.89 5.17

99 K46+750 0.4 1.5 19.43 10.22

100 K47+000 0.17 1.0 8.68 6.68

101 K47+250 .1 1.5 13.6 7.4 19.7

102 K47+500 0.15 1.5 15.6 6.5

103 K47+7500 0.15 1.5 12.3 8.03

104 K48+000 .20 1.5 17.8 9.15 21.3

105 K48+250 .15 1.5 15.8 7.81

106 K48+500 .20 1.5 14.2 6.56

La capacidad portante de los suelos de la subrasante en términos de CBR,

varían entre 2.98 y 13.09%, con promedio de 7.21%. Los valores obtenidos por

el PDC muestran que la capacidad de soporte varía entre 13% y 26%. Para

efectos de diseño se utilizarán los valores de CBR sumergido, como condición

crítica que se puede presentar en los suelos de subrasante. Se realizará la

tramificación de la vía, empleando el método estadístico de las diferencias

acumuladas que recomienda el Manual AASHTO 1993. De acuerdo con los

resultados del ensayo CBR en estado natural y sumergido, se identifica que

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los suelos de subrasante son susceptibles a la pérdida de resistencia por

efectos de humedad, por lo que se recomienda la implementación de

elementos drenantes, tipo subdrenes longitudinales a una profundidad

mínima de 1.0m, en zonas o tramos donde se evidencien zonas inundables o

terraplenes, como por ejemplo infiltraciones permanentes que comprometan

la estabilidad del pavimento, con el propósito de proteger la infiltración

directa a los suelos de subrasante.

En la siguiente gráfica se muestra la sectorización obtenida a partir de los

datos de capacidad de soporte en condición sumergida.

Figura 3 Gráfico de diferencias acumuladas

En la siguiente tabla se muestran los sectores definidos y su valor de

capacidad de soporte.

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Tabla 2 Sectorización de diseño vía Tibú - La Gabarra

Tramo Abscisa

Inicial

Abscisa

final

Longitud

(m)

Valor

Medio

CBR

Desv.

típica Mínimo Máximo

Coeficiente

de

variación

Varianza

1 K22+000 K27+500 5,500 6.5 1.6 4.9 9.5 0.25 6.5

2 K27+500 K31+750 4,250 8.9 2.8 5.8 13.1 0.31 8.9

3 K31+750 K37+750 6,000 6.6 1.9 3.0 8.2 0.28 6.6

4 K37+750 K40+250 2,500 8.0 1.6 7.0 9.8 0.20 8.0

5 K40+250 K48+500 6,750 6.9 2.0 4.0 10.2 0.29 6.9

Para la abscisa K33+750 del sector 3, se tiene un valor de capacidad de

soporte inferior a 3% (2.98%). Se propone un mejoramiento con material rajón,

grava o crudo de rio de espesor mínimo de 30 cm, con el fin de alcanzar el

CBR de diseño del sector. Este espesor del mejoramiento fue calculado por el

método AASHTO 1993.

5.4. Módulo resiliente

El módulo resiliente de la subrasante ha sido estimado en función de su CBR,

mediante la siguiente correlación1, de acuerdo a lo recomendado por la

agencia investigadora AASHTO en su última versión MEPDG, para el nivel 2,

dicho modelo se encuentra recomendado por el Manual del INVIAS para

bajos volúmenes:

5.5. POTENCIAL EXPANSIVO DE LA SUBRASANTE

Según la metodología propuesta por Holtz y Gibbs2, la cual es recomendada

por INVIAS3, el potencial expansivo de la subrasante puede ser estimado con

1NCHRP 1‐37A.Mechanistic – Empirical Design Guide for Pavements, 2004.

2Bureau of Reclamation EEUU, Holtz y Gibbs

3COLOMBIA. INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS. Manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes

de tránsito. Bogotá: El instituto, 2007.

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base en las características de plasticidad de los suelos bajo el siguiente

criterio:

Tabla 3 Potencial Expansivo de los Suelos (INVIAS)

Potencial Expansivo Límite

Líquido (%)

Índice de

Plasticidad (%)

Alto > 60 > 35

Marginal 50 - 60 25 -35

Bajo < 50 < 25

Fuente: Manual de diseño de pavimentos asfálticos INVIAS

Para el caso particular de los suelos encontrados, el potencial expansivo

previsto, es el siguiente:

Tabla 4 Evaluación del Potencial Expansivo de la Subrasante vía Tibú – La

Gabarra

Apique Abscisa LL (%) LP (%) IP (%) Potencial expansivo

1C K22+500 NL NP NL-NP N.P

54.7 19.9 34.8 Marginal

1 K22+250 NL NP NL-NP N.P 52.4 19.0 33.4 Marginal

6 K23+500 NL NP NL-NP N.P 56.4 25.7 30.7 Marginal

11 K24+750 NL NP NL-NP N.P

50.3 18.7 31.7 Marginal


45.3 18.0 27.3 Bajo


41.3 13.6 27.8 Bajo

22 K27+500 NL NP NL-NP N.P NL NP NL-NP N.P


30 K29+500 NL NP NL-NP N.P 41.1 19.7 21.5 Bajo








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Apique Abscisa LL (%) LP (%) IP (%) Potencial expansivo








79 K41+750 NL NP NL-NP N.P NL NP NL-NP N.P NL NP NL-NP N.P


36.3 15.3 20.9 Bajo


87 K43+750 NL NP NL-NP N.P 37.5 15.6 21.9 Bajo



44.3 19.4 24.9 Bajo


49.7 21.7 28.0 Marginal

100 K47+000 NL NP NL-NP N.P NL NP NL-NP N.P NL NP NL-NP N.P


NL NP NL-NP N.P

NL NP NL-NP N.P


NL NP NL-NP N.P

NL NP NL-NP N.P


NL NP NL-NP N.P

NL NP NL-NP N.P


NL NP NL-NP N.P

NL NP NL-NP N.P


NL NP NL-NP N.P

NL NP NL-NP N.P


NL NP NL-NP N.P

NL NP NL-NP N.P

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De la tabla anterior se observar que el potencial expansivo oscila entre

marginal y bajo, presentándose inclusive suelos sin plasticidad ni limite líquido,

es decir que no poseen potencial expansivo. En los sectores con resultados

de potencial marginal (K22+250 al K22+500, K23+500, K24+750 y K46+750), se

recomienda el empleo de obras hidráulicas para el control de humedad de

los suelos, así como el efecto de pérdida de resistencia de la subrasante por

efecto del agua.

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6. TRÁNSITO DE DISEÑO

En el estudio titulado “TOMO I DISEÑO GENERAL VÍAS MODULO 4 TIBU, TIBU-

GUAIMALITO-LA GABARRA VOLUMEN I ESTUDIO DE TRANSITO, CAPACIDAD Y

NIVELES DE SERVICIO”, se presentan los resultados del tránsito de diseño para

diferentes periodos, el cual fue elaborado en enero del 2013. De dicho

informe se extractan los aspectos más relevantes para el cálculo de ejes

equivalentes para el diseño de pavimentos.

6.1. Tránsito de diseño, número de ejes equivalentes – NEE

El análisis de tránsito para el diseño de espesores de pavimentos, es

posiblemente la variable más importante en el diseño de una vía, pues, si

bien el volumen y dimensiones de los vehículos influyen en su diseño

geométrico, el número y el peso de los ejes de estos son factores

determinantes en el diseño de la estructura del pavimento.

El análisis se basa en el tránsito que se presenta en la vía, así como en sus

proyecciones, para finalmente llegar a obtener el Número de Ejes

Equivalentes que utilizará el pavimento durante la vida útil de éste.

Un pavimento debe ser diseñado para soportar el tránsito inicial y aquel que

pase durante su vida de servicio. A continuación, se detalla el procedimiento

empleado para la evaluación del tránsito de diseño expresado en el Número

de Ejes Equivalentes, NEE.

El transito se calculó con base en los siguientes valores de TPD obtenidos de

los aforos realizados en la vía.

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Tabla 5Transito promedio diario vía Tibú - La Gabarra

Livianos Buses C2P C 2G C 3 C 4 C 5 >C 6

161 9 30 130 5 0 1 0

6.2. Periodo de diseño

De conformidad con las recomendaciones del manual del INVIAS para vías

de medios y altos volúmenes, la vía Tibú – La Gabarra se clasifica en la

categoría III (TPD menor que 1000). El periodo de diseño recomendado oscila

entre 10 y 20 años. Esta Consultoría asume el periodo de diseño que

recomienda el manual (10 años), teniendo en cuenta las limitantes

presupuestales a corto plazo y el desempeño de los pavimentos asfalticos en

nuestro país. Para este periodo el tránsito de diseño será igual a 1.097.183 ejes

equivalentes de 8.2 Ton.

6.3. Procedimiento de cálculo

Utilizando los siguientes parámetros, se determina el número acumulado de

repeticiones esperadas del eje sencillo equivalente a 8.2 toneladas, que se

presenta en el carril de diseño durante el período de diseño, tal como se

describe a continuación:

FCBA

TANEE 365100100

Dónde:

– NEE = Tránsito de diseño en Ejes Equivalentes

– TA = Tránsito Acumulado para el año n.

– A = Porcentaje de vehículos comerciales (buses y camiones)

– B = porcentaje de vehículos pesados que emplean el carril de diseño

– F. C. = Factor Camión

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El Tránsito Acumulado en cualquier año, TA, se halla al tener el TPD del año

inicial y la rata anual de crecimiento del tránsito, la cual incluye el

crecimiento Normal del Tránsito – CNT -, el Tránsito Generado – TG - y el

Tránsito Desarrollado – TD.

Multiplicando los volúmenes de tránsito acumulado por los respectivos

factores daño empleados se encuentra el Número de Ejes Equivalentes de 8.2

Ton.

Factor Camión, F. C.

Se entiende por factor camión al número de aplicaciones de ejes sencillos

con carga equivalente de 8.2 o 13 toneladas, correspondientes al paso de un

vehículo comercial (Bus o Camión).

Para el cálculo del número de ejes equivalentes, se han empleado los

indicados por la metodología del INVIAS y los cuales se resumen a

continuación.

Tabla 6 Factores daño INVIAS

Tipo de Vehículo Factor de Equivalencia

Bus 1.00

C2P C2P 1.14

C2G C2G 3.44

C3 C3 3.76

C4 C4 3.42

C5 C3 S2 4.40

> C5 >C5 4.72

Fuente: Manual de Diseño de Pavimentos Asfalticos en Vías con Medios y Altos Volúmenes de

Transito

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A partir de estos valores y considerando las proyecciones de tránsito, se

estimó el número de ejes equivalente para el carril de diseño.

Tabla 7 Estimación de ejes equivalentes a partir del Transito Consolidado para

el carril de diseño

Año Buses C 2P C 2G C 3 C 4 C 5 >C 6 NESE

NESE

ACUMULADO

EN EL CARRIL

DE DISEÑO Total Volumen

Vehicular

Acumulado a

2016 (3 años)

10.393,84 40.717,41 536.322,27 20.606,27 1.421,12 7.483,57 - 616.944,47 10.393,84

Total Volumen

Vehicular

Acumulado a

2018 (5 años)

17.644,84 69.122,85 910.473,63 34.981,69 2.412,53 12.704,28 - 1.047.339,82 17.644,84

Total Volumen

Vehicular

Acumulado a

2020 (7 años)

25.164,39 98.580,34 1.298.482,33 49.889,54 3.440,66 18.118,36 - 1.493.675,61 25.164,39

Total Volumen

Vehicular

Acumulado a

2023 (10 años)

36.969,10 144.824,78 1.907.605,75 73.292,93 5.054,68 26.617,75 - 2.194.365,01 36.969,10

Total Volumen

Vehicular

Acumulado a

2028 (15 años)

58.132,65 227.732,00 2.999.644,50 115.250,61 7.948,32 41.855,50 - 3.450.563,58 58.132,65

Total Volumen

Vehicular

Acumulado a

2033 (20 años)

81.310,52 318.530,28 4.195.623,04 161.201,81 11.117,37 58.543,58 - 4.826.326,60 81.310,52

Teniendo en cuenta el incremento por el transito generado y atraído del 6%,

considerado en el estudio de tránsito, y la aplicación del factor direccional se

tienen el siguiente número de ejes equivalentes para el periodo de diseño.

Tabla 8 Número total de ejes equivalentes 8.2 Ton para el carril de diseño

Año Buses C 2P C 2G C 3 C 4 C 5 >C 6

NESE

ACUMULADO

EN EL CARRIL

DE DISEÑO

10 36969 144825 1907606 73293 5055 26618 0 1.097.183

Fuente: VOLUMEN I ESTUDIO DE TRANSITO, CAPACIDAD Y NIVELES DE SERVICIO TIBU-

GUAIMALITO-LA GABARRA

Cabe destacar que los camiones de mayor consumo para este proyecto en

particular son los vehículos C2G, los cuales tienen mayor participación en la

distribución.

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7. DISEÑO DEL PAVIMENTO FLEXIBLE

Para el diseño de las estructuras de pavimento flexible, se empleará la carta

del INVIAS en su manual de medios y altos volúmenes de tránsito 2008 y la

metodología propuesta por la AASHTO 1993. Se verificará que los espesores

cumplan con los criterios del método mecanicista del INVIAS. Se analizarán

dos alternativas: la primera mediante el empleo de materiales granulares

convencionales y la segunda usando materiales estabilizados con cemento.

7.1. MANUAL INVIAS

Para el cálculo de las estructuras de pavimento a emplear, se utilizó el

método propuesto en el por el INVIAS. Los diseños y metodología están

basados en una combinación de métodos existentes, experiencia y la teoría

fundamental de comportamiento de estructuras y materiales. El catálogo de

estructuras que constituye la base de la metodología fue definido utilizando

principalmente el método AASHTO-1993.

Para la utilización del método se requiere categorizar los siguientes

parámetros que constituyen la base para la aplicación:

Módulo resiliente promedio de la subrasante

Transito equivalente de diseño

Temperatura media anual ponderada

Precipitación anual

A continuación se realiza la evaluación de los parámetros anteriores para la

vía Tibú – La Gabarra.

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7.1.1. Módulo resiliente promedio de la subrasante

Este valor fue calculado a partir del CBR de la subrasante obteniendo los

siguientes valores.

Tabla 9 Categorías de la subrasante

Tramo Abscisa

Inicial

Abscisa

final

Longitud

(m)

Valor Medio

CBR

Mr

(psi)

Mr

(kg/cm2)

1 K22+000 K27+500 5,500 6.5 8452 592

2 K27+500 K31+750 4,250 8.9 10343 724

3 K31+750 K37+750 6,000 6.6 8525 597

4 K37+750 K40+250 2,500 8.0 9635 674

5 K40+250 K48+500 6,750 6.9 8761 613

El Manual INVIAS establece las siguientes categorías para la subrasante.

Tabla 10 Categorías de la subrasante

Módulo Resiliente (kg/cm2) Categoría

300≤MR<500 S1

500≤MR<700 S2

700≤MR<1000 S3

1000≤MR<1500 S4

MP≥1500 S5

Los tramos se clasifican en las siguientes categorías.

Tramo Abscisa

Inicial

Abscisa

final

Mr

(kg/cm2) Categoría

1 K22+000 K27+500 592 S2

2 K27+500 K31+750 724 S3

3 K31+750 K37+750 597 S2

4 K37+750 K40+250 674 S2

5 K40+250 K48+500 613 S2

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7.1.2. Transito Equivalente de diseño

El Manual INVIAS establece las siguientes categorías para el tránsito

expresado en número de ejes equivalentes.

Tabla 11Rangos de tránsito contemplados en el manual INVIAS

Designación Rangos de tránsito Acumulado por carril de

diseño

T1 0.5 - 1 * 106

T2 1 - 2 * 106

T3 2 - 4 * 106

T4 4 - 6 * 106

T5 6 - 10 * 106

T6 10 - 15 * 106

T7 15 - 20 * 106

T8 20 - 30 * 106

T9 30 - 40 * 106

De acuerdo a lo anterior tramos se clasifican en las siguientes categorías.

Tabla 12 Categorización de tránsito según manual INVIAS

Tramo Abscisa

Inicial

Abscisa

final

Mr

(kg/cm2) Categoría

1 K22+000 K27+500 592

T2

2 K27+500 K31+750 724

3 K31+750 K37+750 597

4 K37+750 K40+250 674

5 K40+250 K48+500 613

7.1.3. Temperatura media anual ponderada (TMAP)

De acuerdo a la información de la estaciones del IDEAM en la zona, la TMAP

es de 27°C.

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7.1.4. Precipitación anual

De acuerdo a la información de la estaciones del IDEAM en la zona la

precipitación media anual en la zona es de 2500 mm.

Tabla 13Regiones climáticas según la temperatura y precipitación

No REGIÓN TEMPERATURA

TMAP (ºC)

PRECIPITACIÓN

MEDIA ANUAL (mm)

R1 Fría seca y fría semihúmeda < 13 < 2000

R2 Templado seco y templado

semihúmedo 13 -20 < 2000

R3 Cálido seco y Cálido

semihúmedo 20 – 30 < 2000

R4 Templado húmedo 13 – 20 2000 – 4000

R5 Cálido húmedo 20 – 30 2000 – 4000

R6 Cálido muy húmedo 20 – 30 > 4000

De acuerdo a la clasificación propuesta por el INVIAS, la zona se clasifica en

R5, clima Cálido húmedo.

7.1.5. Espesores de diseño

Con base en la información de condiciones climáticas (R), niveles de tránsito

(T), condiciones de resistencia de los suelos de subrasante (S) y características

de los materiales definidos para cada una de las capas, se diseñaron las

secciones estructurales para los diferentes combinaciones de las variables,

indicándose para las alternativas de diseño los materiales y espesores

correspondientes que garanticen una equivalencia estructural. Dentro del

Manual se establecieron seis (6) cartas de diseño, donde cada carta

contempla los aspectos que se resumen en la tabla siguiente:

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Tabla 14Rangos contemplados en las cartas de diseño manual INVIAS

Carta

Nro.

Región

Climática

Resistencia de

Subrasante (S)

Rango de

Tránsito

1 R1 de S1 a S5 de T1 a T9






A continuación se resumen los parámetros de diseño y la carta de diseño a

emplear.

Tabla 15 Parámetros y carta de diseño

Tramo Abscisa

Inicial

Abscisa

final

Región

Climática

Resistencia

de

Subrasante

(S)

Rango

de

Tránsito

Carta No

1 K22+000 K27+500

R5

S2

T2 5

2 K27+500 K31+750 S3

3 K31+750 K37+750 S2

4 K37+750 K40+250 S2

5 K40+250 K48+500 S2

Empleando la carta de diseño No.5 la cual se muestra en el Anexo No. 3, se

obtienen las siguientes estructuras de pavimento.

Tabla 16 Espesores de diseño alternativa granulares convencionales

Tramo Abscisa

Inicial

Abscisa

final

Espesores (mm)

MDC-2 BG-1 SBG-1

1 K22+000 K27+500 100 250 300

2 K27+500 K31+750 75 200 350

3 K31+750 K37+750 100 250 300

4 K37+750 K40+250 100 250 300

5 K40+250 K48+500 100 250 300

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Tabla 17 Espesores de diseño alternativa con base estabilizada con cemento

Tramo Abscisa

Inicial

Abscisa

final

Espesores (mm)

MDC-2 BG-1 BEC

1 K22+000 K27+500 100 250 250

2 K27+500 K31+750 75 200 300

3 K31+750 K37+750 100 250 250

4 K37+750 K40+250 100 250 250

5 K40+250 K48+500 100 250 250

7.2. METODO AASHTO 1993

De acuerdo con la metodología AASHTO 1993, la capacidad estructural del

pavimento se define en términos de número estructural SN. La ecuación

básica para determinar el SN es la siguiente:

Donde:

W18 : Número de ejes equivalentes

ZR : Desviación normal estándar

So : Error estándar combinado

∆PSI : Diferencia entre el índice de serviciabilidad inicial y final

MR : Módulo resiliente de la subrasante, psi

SN : Número estructural requerido

El procedimiento para determinar la estructura que supla las solicitaciones del

tránsito, consiste en igualar el número estructural requerido con el obtenido al

resolver la siguiente expresión:

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Donde, para cada material, i:

ai : Coeficiente de aporte

mi : Coeficiente de drenaje

Di : Espesor, in

7.2.1. Constantes de Estadísticas y Serviciabilidad

Se ha empleado una desviación estándar de 0.45 (promedio entre el rango

de 0.40 (sin errores en el tránsito) y 0.50 (con errores en el tránsito)) y niveles de

servicio inicial y final de 4.0 y 2.0 respectivamente.

7.2.1.1. Confiabilidad del Diseño

Se ha empleado una confiabilidad del 85%, de conformidad con las

recomendaciones de AASHTO para este tipo de proyectos. Para esta

confiabilidad se asocia un valor de Zr = 1.037.

Tabla 18 Niveles de confiabilidad recomendados AASHTO

Clasificación funcional Nivel de Confiabilidad, R, recomendado

Urbana Rural

Interestatales y vías rápidas 85-99.9 80-99.9

Arterias principales 80-99 75-95

Colectoras 80-95 75-95

Locales 50-80 50-80 Fuente: (Tabla 2.2 AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES 1993)

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7.2.1.2. Coeficiente de Aporte

Las expresiones empleadas para la determinación de los coeficientes de

aporte estructural de cada una de las capas, son las siguientes:

7.2.1.2.1. Concreto Asfáltico

El Manual de Diseño de Pavimentos Asfálticos en Vías con Medios y Altos

Volúmenes de Tránsito del INVIAS, en su tabla 8.1, recomienda un aporte

estructural de 0.30 para la mezcla asfáltica en caliente tipo MDC2, para

temperaturas comprendidas entre 20 y 30⁰C. Este rango es muy amplio y

puede abarcar varias zonas del país, con condiciones climáticas muy

diferentes. Teniendo en cuenta que la temperatura de la zona en estudio es

cercana a los 30⁰C, esta Consultoría considera adecuado el empleo de 0.25,

como aporte de la carpeta asfáltica. Tomando como base los resultados de

ensayos de módulos dinámicos para mezclas que han sido empleadas en

zonas similares, se toma un valor de modulo dinámico de 1000 MPa (145030

psi), asociado a una temperatura cercana a los 27⁰C.

7.2.1.2.2. Base Granular

El valor de relación de soporte (CBR) al 100% de la densidad seca máxima,

adoptado para diseño es 100% de conformidad con el número estructural

adoptado de 0.14. De acuerdo con la figura II‐2.6 de la guía AASHTO 1993,

dicha relación de soporte teóricamente se asocia a un módulo resiliente de

210MPa (30456 psi).

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Figura 4 Carta para estimar el coeficiente de aporte de bases granulares

Fuente: AASHTO Guide for design of pavement structures. Washington D.C., 1993. Cap 2

7.2.1.2.3. Suelo estabilizado con cemento

Se ha empleado un aporte estructural para este material de 0.14, teniendo

en cuenta las recomendaciones del INVIAS para suelos estabilizados. De

acuerdo a la siguiente figura se tiene un módulo asociado de 34285psi (236

MPa).

Figura 5 Carta para estimar el coeficiente de aporte de suelo estabilizado

con cemento

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7.2.1.2.4. Subbase Granular

Para el caso de las subbases granulares se contempla una relación de

soporte de 60% al 95% de la densidad seca máxima para el coeficiente de

aporte de 0.11. De acuerdo con la figura II‐2.7 de la guía AASHTO, dicha

relación de soporte se asocia a un módulo resiliente de 120MPa (17403 psi).

Figura 6 Carta para estimar el coeficiente de aporte de subbases granulares

Fuente: AASHTO Guide for design of pavement structures. Washington D.C., 1993. Cap 2

7.2.1.2.5. Coeficiente de Drenaje

Los coeficientes de drenaje adoptados para las capas granulares se estiman

a partir de la calidad del drenaje y el tiempo en que el pavimento está

expuesto a niveles de humedad próximos a la saturación. Para el presente

estudio se empleó un coeficiente de 0.90 de acuerdo a la recomendación

del INVIAS y teniendo en cuenta que la precipitación en la zona es de 2500

mm/año en promedio.

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7.2.1.3. Determinación de Espesores

Figura 7 Determinación de espesores de capa

El procedimiento para determinar la estructura que supla las solicitaciones del

tránsito, consiste en igualar el número estructural requerido con el obtenido al

resolver la siguiente expresión:

Donde, para cada material, i:

ai : Coeficiente de aporte

mi : Coeficiente de drenaje

Di : Espesor, in

Tabla 19 Parámetros AASHTO vía Tibú - La Gabarra

Tramo Confiabilidad Serviciabilidad

Módulo

Resiliente SRS

Tránsito 10

años

So R Zr PSIi PSIf ΔPSI MPa PSI N8.2ton

1 0.45 85% 1.037 4.00 2.00 2.00 58 8452 1,097,183

2 0.45 85% 1.037 4.00 2.00 2.00 71 10343 1,097,183

3 0.45 85% 1.037 4.00 2.00 2.00 59 8525 1,097,183

4 0.45 85% 1.037 4.00 2.00 2.00 66 9635 1,097,183

5 0.45 85% 1.037 4.00 2.00 2.00 60 8761 1,097,183

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Tabla 20 Cálculo método AASHTO vía Tibú - La Gabarra granulares

convencionales

Tramo Material Espesor (in) Modulo

(psi)

Coeficientes de

Aporte SNi SNreq

Requerido Adoptado ai mi

1

MDC-2 7.96 4.72 145030 0.25 1 1.18

BG-1 10.16 7.87 30456 0.14 0.9 0.99 1.96

SBG-1 10.39 11.81 17403 0.11 0.9 1.17 2.42

SRS 8452 3.34 3.16

2

MDC-2 7.96 4.72 145030 0.25 1 1.18

BG-1 10.16 7.87 30456 0.14 0.9 0.99 1.96

SBG-1 8.17 9.84 17403 0.11 0.9 0.97 2.42

SRS 10343 3.15 2.93

3

MDC-2 7.96 4.72 145030 0.25 1 1.18

BG-1 10.16 7.87 30456 0.14 0.9 0.99 1.96

SBG-1 10.29 11.81 17403 0.11 0.9 1.17 2.42

SRS 8525 3.34 3.15

4

MDC-2 7.96 4.72 145030 0.25 1 1.18

BG-1 10.16 7.87 30456 0.14 0.9 0.99 1.96

SBG-1 8.87 9.84 17403 0.11 0.9 0.97 2.42

SRS 9635 3.15 3.01

5

MDC-2 7.96 4.72 145030 0.25 1 1.18

BG-1 10.16 7.87 30456 0.14 0.9 0.99 1.96

SBG-1 9.98 11.81 17403 0.11 0.9 1.17 2.42

SRS 8761 3.34 3.12

*MDC-2: mezcla densa en caliente

*BG-1: base granular

*SBG-1: subbase granular

*SRS: subrasante

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En la siguiente figura se muestran las entradas y resultados del programa

utilizado:

Tramo 1:

Tramo 2:

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Tramo 3:

Tramo 4:

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Tramo 5:

Tabla 21 Espesores de diseño método AASHTO vía Tibú - La Gabarra

granulares convencionales

Tramo Abscisa Inicial Abscisa final Material Espesor(mm)

1 K22+000 K27+500

MDC-2 120

BG-1 200

SBG-1 300

2 K27+500 K31+750

MDC-2 120

BG-1 200

SBG-1 250

3 K31+750 K37+750

MDC-2 120

BG-1 200

SBG-1 300

4 K37+750 K40+250

MDC-2 120

BG-1 200

SBG-1 250

5 K40+250 K48+500

MDC-2 120

BG-1 200

SBG-1 300

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Tabla 22 Cálculo método AASHTO vía Tibú - La Gabarra suelo estabilizado

con cemento

Tramo Material Espesor (in) Modulo

(psi)

Coeficientes de

Aporte SNi SNreq

Requerido Adoptado ai mi

1

MDC-2 9.84 4.72 145030 0.25 1 1.18

SBG-1 6.67 7.87 17403 0.12 0.9 0.85 2.42

SEC 8.13 9.84 34285 0.16 0.9 1.42 1.87

SRS

8452

3.45 3.16

2

MDC-2 9.84 4.72 145030 0.25 1 1.18

SBG-1 6.67 7.87 17403 0.12 0.9 0.85 2.42

SEC 6.60 7.87 34285 0.16 0.9 1.13 1.87

SRS

10343

3.16 2.93

3

MDC-2 9.84 4.72 145030 0.25 1 1.18

SBG-1 6.67 7.87 17403 0.12 0.9 0.85 2.42

SEC 8.06 9.84 34285 0.16 0.9 1.42 1.87

SRS

8525

3.45 3.15

4

MDC-2 9.84 4.72 145030 0.25 1 1.18

SBG-1 6.67 7.87 17403 0.12 0.9 0.85 2.42

SEC 7.08 7.87 34285 0.16 0.9 1.13 1.87

SRS

9635

3.16 3.01

5

MDC-2 9.84 4.72 145030 0.25 1 1.18

SBG-1 6.67 7.87 17403 0.12 0.9 0.85 2.42

SEC 7.85 9.84 34285 0.16 0.9 1.42 1.87

SRS

8761

3.45 3.12

*MDC-2: mezcla densa en caliente

*SBG-1: subbase granular

*SEC: suelo estabilizado con cemento

*SRS: subrasante

Tabla 23 Espesores de diseño método AASHTO vía Tibú - La Gabarra suelo

estabilizado con cemento


1 K22+000 K27+500

MDC-2 130

SBG-1 200

SEC 250

2 K27+500 K31+750

MDC-2 130

SBG-1 200

SEC 200

3 K31+750 K37+750 MDC-2 130

SBG-1 200

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SEC 250

4 K37+750 K40+250

MDC-2 130

SBG-1 200

SEC 200

5 K40+250 K48+500

MDC-2 130

SBG-1 200

SEC 250

7.3. METODO MECANICISTA

Se verificarán los espesores de estructura obtenidos con el método AASHTO,

de tal manera que cumplan con los criterios del método mecanicista. Esta

metodología emplea propiedades físicas fundamentales de los materiales y

se basa en un modelo teórico para el cálculo de esfuerzos, deformaciones y

deflexiones elásticas, con el objetivo de predecir la respuesta del pavimento

causada por una carga estándar aplicada.

Las funciones de transferencia, desarrolladas por diversas entidades a nivel

mundial, relacionan la respuesta de la estructura con el número de

repeticiones de carga que, teóricamente, puede soportar el pavimento

antes de llegar al final de su periodo de diseño.

7.3.1. Agrietamiento por Fatiga

La deformación por tensión en la base de la carpeta asfáltica, es usada para

determinar el número teórico de repeticiones de carga que soportará el

pavimento antes de alcanzar la falla por fatiga.

El modelo propuesto por Shell para controlar el agrietamiento por fatiga es el

siguiente:

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Donde:

t : Deformación unitaria por tracción en la base del concreto asfáltico,

mm/mm

Vb : Volumen de asfalto en la mezcla, %

E : Módulo dinámico de la mezcla, N/m2

N : Número de ejes equivalentes de 8.2 ton

K : Coeficiente de Calage

Originalmente, esta ecuación de fatiga fue desarrollada para una

confiabilidad del 50%. El método australiano de diseño contempla una

manera para aumentar la confiabilidad afectando el valor del factor K, tal

como sigue4:

Tabla 24 Factor de Desplazamiento en Función de la Confiabilidad

Confiabilidad (%) 80 85 90 95

Factor de desplazamiento (K) 4.7 3.3 2.0 1.0

Fuente: Guía Metodológica INVIAS 2008

Para este caso particular se ha adoptado una confiabilidad del 85%.

7.3.2. Agrietamiento por Ahuellamiento

De acuerdo con la metodología Shell, para una confiabilidad del 85%, la

relación entre la deformación por compresión y las repeticiones de carga,

está dada por:

4 INVIAS, Guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación en pavimentos flexibles, 2008, Tabla 5.2.2.

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Donde:

z : deformación unitaria vertical en la superficie de la subrasante,

mm/mm

N : número de ejes equivalentes de 8.2 ton.

Mediante el empleo del programa Bitumen Stress Analysis in Roads de la

compañía Shell Bitumen, se calculan los esfuerzos y las deformaciones que se

presentan en la estructura de pavimento y se comparan con las admisibles

obtenidas mediante las funciones de transferencia. Los resultados del

programa se muestran en el Anexo No.4.

Tabla 25 Verificación estructura método Empírico Mecanicista vía Tibú - La

Gabarra granulares convencionales

Tramo

Espesores de

Estructura (mm) E

(Mpa)

Mr

(Mpa) N Vb

Deformaciones

admisibles

(μstrain)

Deformaciones

calculadas

(μstrain)

MD BG SBG Total t z t z

1 120 200 300 620 1000 58 1097183 11,5 494 649 383 377

2 120 200 250 570 1000 71 1097183 11,5 494 649 384 379

3 120 200 300 620 1000 59 1097183 11,5 494 649 383 373

4 120 200 250 570 1000 66 1097183 11,5 494 649 384 394

5 120 200 300 620 1000 60 1097183 11,5 494 649 383 370

*MDC: mezcla densa en caliente

*BG: base granular

*SBG: subbase granular

Las deformaciones calculadas para la estructura de pavimento con los

espesores propuestos son inferiores a las admisibles, y cumplen con los

criterios de fatiga y ahuellamiento, conservando una reserva estructural por

ambos criterios.

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Tabla 26Verificación estructura método Empírico Mecanicista vía Tibú - La

Gabarra suelo estabilizado con cemento

Tramo

Espesores de

Estructura (mm) E

(Mpa)

Mr

(Mpa) N Vb

Deformaciones

admisibles

(μstrain)

Deformaciones

calculadas

(μstrain)

MD SBG SEC Total t z t z

1 130 200 250 580 1000 58 1097183 11,5 494 649 463 377

2 130 200 200 530 1000 71 1097183 11,5 494 649 467 389

3 130 200 250 580 1000 59 1097183 11,5 494 649 463 375

4 130 200 200 530 1000 66 1097183 11,5 494 649 467 403

5 130 200 250 580 1000 60 1097183 11,5 494 649 463 372

*MDC: mezcla densa en caliente

*SBG: sub base granular

*SEC: suelo estabilizado con cemento

Las deformaciones calculadas para la estructura de pavimento con los

espesores propuestos son inferiores a las admisibles, y cumplen con los

criterios de fatiga y ahuellamiento, conservando una reserva estructural por

ambos criterios.

Adicional a lo anterior, este consultor ha revisado las alternativas del diseño

del pavimento con el método mecánico empírico propuesto por la

metodología sudafricana (mePADS), tal como presenta a continuación:

Tabla 27 Revisión Diseño del Pavimento mePADS – Alternativa 1

Material Espesor

(mm)

Módulos

(MPa) Clima Categoría

Ahuellamiento

Final

Repeticiones

Admisibles

Concreto Asfáltico MDC 120 1000 Moderate D 10mm 1,8*106

Base Granular BG 200 210 Moderate D 10mm 266*106

Subbase Granular SBG 300 120 Moderate D 10mm 489*106

Subrasante SR

58

10mm 79,1*106

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Tabla 28 Revisión Diseño del Pavimento mePADS – Alternativa 2

Material Espesor

(mm)

Módulos

(MPa) Clima Categoría

Ahuellamiento

Final

Repeticiones

Admisibles

Concreto Asfáltico MDC 130 1000 Moderate D 10mm 1,21*106

Subbase Granular SBG 200 120 Moderate D 10mm 38,6*106

Suelo Estabilizado

con Cemento SEC 250 240 Moderate D

10mm 3,21*106

Subrasante SR

58

10mm 63,7*106

De la tabla anterior se concluye, que los espesores de las alternativas

propuestas, cumplen con las solicitaciones de tránsito esperadas en el

período de diseño, siendo la alternativa 2 la de mejor desempeño, ambas

controladas por el fenómeno de la fatiga del concreto asfáltico, por lo que

recomienda un estricto control de la industrialización de esta capa.

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Efectuado el análisis de las alternativas anteriores, tenemos las siguientes

ventajas y desventajas:

Alternativa Ventajas Desventajas

Granulares

convencionales

Materiales de procesamiento y

obtención más común.

Necesidad de trituración de

materiales para la

industrialización de bases

granulares.

Proceso constructivo conocido,

de amplia utilización y mejores

rendimientos.

Suelo

estabilizado

con cemento

Facilidad de acceso y

fabricación con los materiales

disponibles.

Controles rigurosos en obra

para controlar resistencia,

reflejo de juntas, etc.

No es necesario procesos de

trituración de materiales para

base granulares

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7.3.3. Secciones típicas de diseño

A continuación se muestran las secciones típicas de diseño para las dos

alternativas propuestas.

Figura 8 Sección típica alternativa suelo estabilizado con cemento

Figura 9 Sección típica alternativa suelo estabilizado con cemento

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8. MATERIALES DE CONSTRUCCION

8.1. ESPECIFICACIONES DE CONSTRUCCIÓN

Las especificaciones de materiales para la estructura de pavimento en

estudio debe cumplir con lo estipulado en las especificaciones generales de

Construcción del Instituto Nacional de Vías (INVIAS). A continuación se

presenta la norma referida para cada una de las capas conformantes de la

estructura de pavimento.

Tabla 29 Especificaciones de Materiales

Actividad Especificación

Subbase Granular Artículo 320-07

Base Granular Artículo 330-07

Suelo estabilizado con cemento Artículo 341-07

Riego de Imprimación Artículo 420-07

Riego de Liga Artículo 421-07

Mezcla Asfáltica en Caliente Artículo 450-07

En caso de seleccionarse la alternativa de suelo estabilizado con cemento, el

cemento para estabilización deberá ser Portland Tipo I, el cual deberá

cumplir lo especificado en el Articulo 330-07 y el Artículo 501-07 del INVIAS.

8.2. FUENTES DE MATERIALES

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Las fuentes de materiales a analizar dentro del presente estudio se estudiaron

en el tomo III, correspondiente al Estudio de Geología para Ingeniería y

Geotecnia, en el cual se emiten las siguientes recomendaciones.

“No existe la posibilidad en zonas cercanas al proyecto de la utilización de

canteras de peña puesto que los materiales presentes corresponden a

estratos sedimentarios de edad Terciaria, por lo que el factor de calidad no

se cumple, teniendo en cuenta los propósitos para su utilización como

material de afirmado, sub-bases y bases granulares.

Como fuente de investigación para la localización de agregados queda la

alternativa de su uso como materiales de origen aluvial. Del conjunto de

cursos aluviales presentes en el área de trabajo se tiene que las fuentes de

mayores posibilidades para su uso en la ingeniería de vías, se tiene el curso

del río Tibú, en el tramo comprendido entre la población de Tibú y el

corregimiento de Tres Bocas, la cual es un caserío localizado en vecindades

del estado Venezolano. El volumen total en los distintos frentes se estima en

unos 230,000 Mt3.”

Las fuentes de materiales en el corredor Tibú - La Gabarra, se encuentran en

las márgenes del río Tibú, tramo Tibú -Inspección de Tres Bocas, identificado

como material de arrastre 1 a 4. El acceso esta al SE de la Refinería de

Ecopetrol del Municipio de Tibú, sobre el carreteable que conduce a la

Inspección de Tres Bocas.

Material de arrastre 1 3,9 Kms de la refinería.


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9. DISEÑO DE MEZCLA ASFALTICA

Se realizó el diseño de mezcla asfáltica, con materiales extraídos del Rio

Puente Vetas. Los parámetros de control adoptados, están contenidos según

especificaciones generales de construcción de carreteras-INVIAS/07. Se

utilizan primordialmente, los materiales producidos mediantes procesos de

trituración.

Para el presente diseño se estudiaron los siguientes materiales, los cuales

presentan las siguientes identificaciones:

a) 25% triturado ¾”, Puente río Vetas (procesado en laboratorio)

b) 65% Arena de color gris de grano grueso y seleccionada, Puente Rio Vetas.

c) 10% Arena natural amarilla y seleccionada, Puente Rio Vetas

d) Asfalto tipo 80-100.

Con los materiales originales se procedió a realizar las observaciones

generales básicas, encontrando los materiales limpios, sin olor característico.

Se procedió a realizar las pruebas mínimas requeridas para conocer las

principales características de estos materiales.

Se realizaron los ensayos requeridos para la elaboración del diseño de

mezclas, de acuerdo a la norma 450-02 expedida por el INVIAS en el año

2007. El resumen de los resultados obtenidos se presenta en el Anexo No. 6. La

fórmula de trabajo se presenta en la siguiente tabla.

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Tabla 30 Fórmula de trabajo MDC-2

PARAMETRO VALOR

% OPTIMO ASFALTO: 5.5%

Densidad (g/cm3) 2.299

Estabilidad (kg.)= 1511

Flujo (mm)= 2.97

% vacíos con aire= 5.1

% vacíos en agr. = 16.7

% vacíos con asfalto = 69

Relación llenante /ligante 1.3

Temperatura de mezclado (ªC) 160

Temperatura de compactación (ªC) 140

Tracción indirecta (%) 85.8

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10. DISEÑO DE SUELO CEMENTO

Para la realización del diseño en laboratorio se recibieron muestras de

material proveniente de los acopios de materiales, Llano Grande y Club Los

Leones, el cual se mezcla en proporciones iguales, 50/50.

Características de los materiales

Cemento Portland

Densidad (g/cm³): 3,030

Finura Blaine (cm²/g): 3600

Agregados

El material granular, se seleccionó y se mezcló en laboratorio de tal manera

que se ajustara a los requerimientos de INVIAS-07 y seleccionado a 2”, al cual

se le realizaron los procedimientos normales de caracterización para

materiales de carreteras.

Los resultados del diseño de suelo cemento se muestran en el anexo 7. En la

siguiente figura se muestra el porcentaje cemento óptimo encontrado.

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Figura 10 Contenido óptimo de suelo cemento

En los resultados de la grafico No. 2, se observa que con el 4.60% de cemento

(+/ - 0,50%) se obtiene una resistencia que supera los 25 Kg/cm2 a los siete (7)

días requerido para el proyecto.

Los resultados de resistencia obtenidos en los ensayos de resistencia a la

compresión permiten determinar que el material granular aunque no

necesita adición de ningún tipo de material para mejorar la curva

granulométrica, si se hace necesario realizar inicialmente la selección y

clasificación de los materiales de las fuentes previamente establecidas.

4.6 %

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11. ANALISIS ECONOMICO DE ALTERNATIVAS

De acuerdo a las alternativas de pavimentación planteadas anteriormente,

se realiza la evaluación preliminar de los costos asociados, utilizando

materiales del Rio Tibú en el corregimiento de Tres Bocas, tal y como lo

recomienda el estudio de Geología. Para este análisis se tomaron precios de

mercado de la zona en estudio. En la siguiente tabla se muestran los costos

directos y las cantidades iniciales estimadas. En el Anexo No. 5, se presentan

los análisis de precios unitarios de las actividades de construcción.

Tabla 31 Comparación económica de alternativas

ALTERNATIVAS CANTIDAD ESTIMADA COSTO ACTIVIDAD ($)

COSTO TOTAL ($) MDC-2 BG SBG SEC MDC-2 BG SBG SEC

GRANULARES

CONVENCIONALES 24168 40280 60420 0 $ 595.678 $ 270.313 $ 266.555 $ 41.389.806.640

SUELO

ESTABILIZADO CON

CEMENTO

26182 0 40280 50350 $ 595.678 $ 266.555 $ 176.692 $ 35.229.298.860

Teniendo en cuenta el análisis económico y las ventajas constructivas, esta

consultoría recomienda la implementación de la alternativa 2 (suelo

estabilizado con cemento).

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12. CONCLUSIONES

La exploración geotécnica en la vía Tibú – La Gabarra consistió en

apiques ejecutados con un espaciamiento de 250 m. Para la vía en

estudio, el perfil típico muestra la presencia de materiales granulares

gravosos, en la parte superior y de materiales arcillosos y arenosos hasta

la profundidad de 1.5 m. La capacidad de soporte de diseño se

determinó a partir de los resultados de CBR en condición sumergida y

se realizó la sectorización de la vía empleando el método de las

diferencias acumuladas (recomendado por AASHTO), el cual dio como

resultado cinco sectores homogéneos de diseño.

El transito obtenido para la vía Tibú - La Gabarra, fue de 1.097.183 ejes

equivalentes de 8.2 Ton. Este valor es consistente con el

comportamiento presente y los valores de tránsito promedio diario de

la vía.

El período de diseño escogido (10 años) es consistente con la

recomendación del INVIAS, la cual tiene en cuenta factores de índole

técnico económica para la selección basado en la importancia de la

vía y sus posibilidades de desarrollo.

Los suelos del sector estudiado presentan por lo general un potencial

expansivo bajo (LL < 50% e IP < 25%), con algunos tramos de potencial

marginal (50< LL <60% e 25< IP <35%). Se recomienda analizar la

inclusión de obras hidráulicas en estos sitios.

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Efectuado el diseño del pavimento por las metodologías empleadas

(Manual INVIAS, AASHTO, Empírico mecanicista) y la verificación por la

metodología sudafricana (mePADS), se observa consistencia en los

resultados, obteniendo con la carta del Manual INVIAS un menor

espesor de carpeta asfáltica y espesores de material granular mayores

con relación a las otras metodologías. Cabe destacar que el INVIAS en

su manual, presenta un catálogo de estructuras para diferentes rangos

de valores de temperatura y precipitación, los cuales son bastante

amplios y pueden abarcar zonas del país con condiciones

completamente diferentes. Bajo esta premisa no se consideran las

condiciones específicas del proyecto ni los escenarios críticos que se

pueden presentar (temperaturas mayores a 30⁰C), razón por la que

esta consultoría considera más apropiado el uso de los espesores

obtenidos con las metodologías AASHTO y empírico mecanicista.

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13. RECOMENDACIONES

Con base en la información obtenida se recomienda la siguiente

alternativa, diseñada por el método AASHTO y verificada por los

parámetros del método mecanicista, siendo finalmente la alternativa

(suelo estabilizado con cemento) la recomendada por este consultor.

TRAMO CAPA ESPESOR (mm)

ALTERNATIVA 2

1

MDC-2 130

BG

SBG 200

SEC 250

2

MDC-2 130

BG

SBG 200

SEC 200

3

MDC-2 130

BG

SBG 200

SEC 250

4

MDC-2 130

BG

SBG 200

SEC 200

5

MDC-2 130

BG

SBG 200

SEC 250

Se recomienda el control de pesos de los camiones, con el propósito

que no excedan las cargas máximas del Ministerio de Transporte. Estas

sobrecargas aceleran los deterioros del pavimento, y disminuyen el

período de diseño considerablemente.

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Se recomienda que la construcción de la capa de suelo estabilizado

con cemento se realice por capas, con el fin de garantizar el nivel de

compactación requerido de acuerdo a las especificaciones técnicas.

Antes de colocar la capa de suelo estabilizado con cemento, se debe

realizar la escarificación y compactación del afirmado existente, con el

fin de proveer una plataforma de trabajo estable y uniforme, para los

subsiguientes de construcción de las capas del pavimento.

Las capas granulares se deben construir a todo lo ancho de la calzada,

incluyendo las bermas.

Las alternativas propuestas han sido diseñadas para un período de

análisis de 10 años de acuerdo a las recomendaciones del INVIAS y al

comportamiento del tránsito actual; este periodo se cumplirá siempre y

cuando se garantice un adecuado plan de mantenimiento asociado a

intervenciones preventivas y/o correctivas del activo vial.

Se recomienda realizar un estricto control de la industrialización de las

capas que conforman la estructura del pavimento.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ESTADOS UNIDOS. AMERICAN ASSOCIATION OF STATE HIGHWAY AND

TRANSPORTATION OFFICIALS. AASHTO Guide for design of pavement

structures. Washington: La asociación, 1993.

INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS. Especificaciones generales de

construcción de carreteras. 2007.

INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS. Norma de ensayo de materiales de

carretera. Instituto Nacional de Vías 1996.

LUIS RICARDO VÁSQUEZ VARELA, Software Para el Cálculo del Numero

Estructural AASHTO 1993. Manizales, Octubre de 2000.

MANUAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFALTICOS EN VIAS CON MEDIOS

Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO, adoptados mediante Resolución

No.0XXX57 del 6 de Julio de 1999 del INSTITUTO NACIONAL DE VIAS.

MANUAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFALTICOS EN VIAS CON BAJOS

VOLÚMENES DE TRÁNSITO adoptado mediante Resolución No. 005867

del 12 de noviembre de 1998 de la Dirección General del INSTITUTO

NACIONAL DE VIAS.

GUIA METODOLOGICA PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE REHABILITACION

DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS DE CARRETERAS, adoptada mediante

Resolución No.002658 del 27 de julio de 2002 del INSTITUTO NACIONAL

DE VIAS.

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ANEXO 1

RESUMEN GEOTECNIA

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ANEXO 2

ESTUDIO DE SUELOS

REMITIRSE A ARCHIVO MAGNETICO

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ANEXO 3

CARTA DE DISEÑO MANUAL INVIAS

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ANEXO 4

MEMORIA CALCULO ESFUERZOS Y DEFORMACIONES

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ANEXO 5

DISEÑO DE MEZCLA ASFALTICA

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ANEXO 6

DISEÑO DE SUELO CEMENTO

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ANEXO 7

REGISTRO FOTOGRÁFICO

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