1
ESTUDIOS DEFINITIVOS COMPLEMENTARIOS PARA LA REHABILITACIÓN Y MEJORAMIENTO DE LA CARRETERA: IZCUCHACA - HUANCAVELICA
TRAMO I: km 00+000 - km 30+000
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN 4 GENERALIDADES 5
Ubicación 5 Clima 5
CAPÍTULO I: ESTUDIO SUELOS, CANTERAS Y DISEÑO DEL PAVIMENTO
I.1 OBJETIVO 7 I.2 ESTUDIOS DESARROLLADOS PARA LA PAVIMENTACION DE LA
CARRETERA 7
I.3 ESTUDIO DE SUELOS 8 3.1 Metodología 8 3.2 Caracterización de las capas granulares 10 3.2.1 Superficie de rodadura 10 3.2.2 Descripción de las capas granulares de la subrasante 13 3.3 Capacidad relativa de soporte de los suelos de subrasante 14 3.4 Mejoramiento de la subrasante 16 I.4 ANÁLISIS DE TRÁFICO 17 I.5 ESTUDIO DE CANTERAS Y FUENTES DE AGUA 17
5.1 Cantera “Santa Cecilia” (Ex – Casma) 19 5.2 Cantera km 11+000 20 5.3 Cantera Tapana 21 5.4 Cantera km 17+500 21 5.5 Fuentes de agua 22
I.6 DISEÑO DEL PAVIMENTO 22 6.1 Método AASHTO 23 6.1.1 Descripción del método 23 6.1.2 Parámetros de diseño 24 6.1.3 Diseño del pavimento para 10 años 26 6.2 Método del Instituto del asfalto 28 6.2.1 Descripción del método 28 6.2.2 Parámetros de diseño 28
2
6.2.3 Diseño del pavimento 29 I.7 ACTIVIDADES PARA LA REHABILITACIÓN Y MEJORAMIENTO DEL
PAVIMENTO 30
I.8 CONCLUSIONES 31 I.9 RECOMENDACIONES 34 CAPÍTULO II: ESTUDIO DE GEOLOGÍA Y GEOTECNIA II.1 OBJETIVOS 48 II.2 GEOLOGÍA GENERAL 48 II.3 GEODINÁMICA EXTERNA, ÁREAS CRÍTICAS Y TALUDES DE CORTE 49 II.4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 58 CAPÍTULO III: ESTUDIO DE HIDROLOGÍA Y DRENAJE III.1 GENERALIDADES 61 1.1 Cartografía 62 1.2 Hidrometría 62 1.3 Pluviometría 63 III.2 OBJETIVO DEL ESTUDIO 65 III.3 ANÁLISIS HIDROLÓGICO 65 3.1 Información básica 65 3.2 Hidrología estadístico 65 3.2.1 Distribución de Gumbel 66 3.2.2 Distribución Log Pearson III 68 3.2.3 Pruebas de ajustes Kolmogorov - Smirnov 69 3.3 Periodo de retorno y vida útil de las estructuras de drenaje 74 III.4 SUBCUENCAS HIDROGRÁFICAS 77 III.5 CAUDAL DE DISEÑO 77 5.1 Método Racional 77 5.2 Método de Hidrograma Unitario del SCS 79 5.3 Método Racional Modificado 80 5.4 Caudal de diseño de las subcuencas hidrográficas 81 III.6 OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIALES 82 6.1 Obras de drenaje existentes 82 6.1.1 Alcantarillas 82 6.1.2 Pontones 83 6.1.3 Badenes 84 6.1.4 Cunetas 84 6.2 Obras de drenaje proyectadas complementarias 84 6.2.1 Alcantarillas 84
3
6.2.2 Cunetas laterales 86 6.2.3 Zanjas de coronación 88 6.2.4 Subdrén longitudinal 88 6.3 Evaluación de zonas críticas 90 III.7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 91
4
ESTUDIOS DEFINITIVOS COMPLEMENTARIOS PARA LA REHABILITACIÓN Y MEJORAMIENTO DE LA CARRETERA: IZCUCHACA - HUANCAVELICA
TRAMO I: km 00+000 - km 30+000
INTRODUCIÓN
En atención a lo dispuesto por la Dirección General de Caminos y Ferrocarriles del
Ministerio de Transportes y Comunicaciones (Memorándum N°052-2005-MTC/14),
atendiendo la solicitud de Provias Nacional (Memorándum N°019-2005-MTC/20), personal
técnico de la Oficina de Apoyo Tecnológico se constituyó en la ciudad de Huancavelica en
enero 2005 a fin de proceder a ejecutar los trabajos de campo para complementar e
implementar los estudios de Suelos, Canteras, Hidrología, Drenaje, Geología, Geotecnia y
Diseño de pavimento del “Expediente Técnico Rehabilitación y Mejoramiento de la Carretera
Izcuchaca – Huancavelica, Tramo I: km 00+000 – km 30+000” efectuado por el Consorcio
CPA durante el año 2004, para el Gobierno Regional de Huancavelica.
La complementación e implementación de este estudio se ha efectuado con la
finalidad de subsanar las observaciones que formularan los especialistas del Provias
Nacional (Junio y Setiembre 2004) al expediente desarrollado por el Consorcio CPA en los
capítulos de suelos, canteras, geotecnia, drenaje y diseño del pavimento. La programación
de trabajos de campo y presentación de los estudios ha sido influenciada básicamente por
las limitaciones de tiempo para ejecutarlas, que fueran señaladas por Provias Nacional.
5
GENERALIDADES
Ubicación
El tramo I : km 00+000 – km 30+000 de la carretera Izcuchaca - Huancavelica, se
ubica en el Departamento de Huancavelica, Provincia de Huancavelica, formando parte de
la Región “Los Libertadores - Wari”. Este tramo carretero tiene como punto de inicio la
Ciudad de Izcuchaca (km 00+000) con una altitud de 2 800 msnm, y como punto final del
tramo, la localidad de Palca (km 30+000) con una altitud de 3 600 msnm; pasando por las
localidades de Tambillo, Tapana, Chajoma, Huando, Yanahollpa y Cachiyayas.
La cartografía base utilizada en este proyecto se refiere a las cartas obtenidas del Instituto Geográfico Nacional (IGN), a escala 1:100000, que corresponden a:
Pampas Hoja 25 - n Huancavelica Hoja 26 - n Conayca Hoja 26 - m
Clima
El tramo en estudio pertenece a la región Jalca ubicada a 3600 msnm
aproximadamente. Dicha región se caracteriza por presentar 02 climas diferenciados con
presencia de constantes lluvias y bajas temperaturas durante los meses de Diciembre a
Marzo y el incremento de la misma durante el día hasta 26,6 °C en promedio.
6
ESTUDIOS DEFINITIVOS COMPLEMENTARIOS PARA LA REHABILITACIÓN Y MEJORAMIENTO DE LA CARRETERA: IZCUCHACA - HUANCAVELICA
TRAMO I: km 00+000 - km 30+000
CAPÍTULO I
ESTUDIO DE SUELOS, CANTERAS Y DISEÑO DEL PAVIMENTO
Febrero 2005
Lima - Perú
7
ESTUDIOS DEFINITIVOS COMPLEMENTARIOS PARA LA REHABILITACIÓN Y MEJORAMIENTO DE LA CARRETERA: IZCUCHACA - HUANCAVELICA
TRAMO I: km 00+000 - km 30+000
CAPÍTULO I
ESTUDIO DE SUELOS, CANTERAS Y DISEÑO DEL PAVIMENTO
I.1 OBJETIVO
El presente estudio de la carretera Izcuchaca - Huancavelica, Tramo I: km 00+000 –
km 30+000, tiene como objetivo principal complementar e implementar el expediente
formulado por la Cia. Consorcio CPA en el año 2004; en este capítulo, en lo que concierne
específicamente a los estudios de suelos, canteras, evaluación de pavimentos y definir en
base a los resultados de la misma, los diseños y actividades necesarios que conlleven a su
rehabilitación y mejoramiento.
I.2 ESTUDIOS DESARROLLADOS PARA LA PAVIMENTACIÓN DE LA CARRETERA
Por disposición de la DGCF, la Oficina de Apoyo Tecnológico ejecuta los estudios de
suelos, canteras, geología, geotecnia, hidrología, drenaje y diseño de pavimento; para la
rehabilitación y mejoramiento de la carretera Izcuchaca-Huancavelica, en el tramo:
Izcuchaca – Palca (km 00+000 – km 30+000). Para tal fin, en lo que corresponde a los
estudios de suelos, canteras y diseño del pavimento se programaron los siguientes trabajos
de campo:
• Inspección de todo el tramo carretero, con la finalidad de definir la estrategia para la
ejecución de los estudios.
8
• Perforaciones de estudio para determinar los espesores y características físico-
mecánicas de los suelos de fundación básicamente en el alineamiento existente, de
acuerdo a lo dispuesto por Provias Nacional.
• Ubicar los bancos de materiales que posean cantidades de agregados suficientes para la
obra, así como también las fuentes de agua, efectuándose los estudios y análisis
correspondientes.
• Diseño del nuevo pavimento
Toda la información es complementada con los ensayos de laboratorio efectuados a
los materiales seleccionados para su empleo en la construcción de la carretera, así como a
los suelos de la subrasante, lo que conllevará a la definición óptima de la estructura del
pavimento.
En los ítems, del I.3 al I.5 se detallan los estudios desarrollados con la finalidad de
estructurar el pavimento (I.6).
I.3 ESTUDIO DE SUELOS
Este estudio se desarrolló con la finalidad de determinar las características físico -
mecánicas de los suelos de fundación existentes en el eje proyectado para el tramo I: km
0+000 – km 30+000 de la carretera Izcuchaca – Huancavelica, así como su sectorización
por tipo de material, la que se empleará como parámetro para el dimensionamiento del
pavimento. También se establecerán los sectores donde, por deficiencia en calidad
(capacidad de soporte) se requiera su mejoramiento.
3.1 Metodología
La metodología seguida para la ejecución del estudio, comprendió
básicamente una investigación de campo a lo largo del tramo carretero proyectado
mediante prospecciones de exploración (calicatas), con obtención de muestras
representativas en cantidades suficientes, las que fueron objeto de ensayos de
laboratorio y finalmente con los datos obtenidos en ambas fases se realizaron las
9
labores de gabinete, para consignar luego en forma gráfica y escrita los resultados
del estudio.
Las tres etapas ó fases descritas líneas arriba (campo, laboratorio y gabinete)
son secuenciales e igualmente importantes; a continuación se describe el trabajo
desarrollado.
Trabajo de campo
Con el objeto de determinar las características físico-mecánicas de los
materiales del terreno de fundación se llevaron a cabo investigaciones mediante la
ejecución de pozos exploratorios de 0,80 X 0,50 (aproximadamente) a “cielo abierto”
de 1,5 m de profundidad mínima, distanciadas aproximadamente en 200 m uno del
otro, las que se distribuyeron en tres bolillos de tal manera que la información
obtenida sea representativa.
De los materiales encontrados en las calicatas se obtuvieron muestras
disturbadas, las que fueron descritas e identificadas con la ubicación, número de
muestra y profundidad; luego fueron colocadas en bolsas de polietileno para su
traslado al laboratorio. Durante la ejecución de los estudios de campo se llevó el
registro de los espesores de cada una de las capas del sub-suelo, sus características
de gradación y su estado de compacidad.
Las muestras de suelos fueron clasificadas y seleccionadas siguiendo el
procedimiento descrito en ASTM D-2488 “Práctica Recomendada para la Descripción
de Suelos”.
Ensayos de laboratorio
Las muestras representativas fueron sometidas a los siguientes ensayos:
• Análisis granulométrico por tamizado (NTP 400.012)
• Material pasante la malla N°200 (NTP 339.132)
• Límites de consistencia (NTP 339.129)
10
Límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad
• Clasificación SUCS (NTP 339.134)
• Clasificación AASHTO (NTP 339.135)
• Contenido de humedad (NTP 339.127)
• Proctor modificado (NTP 339.141)
• California Bearing Ratio (NTP 339.145)
Cuyos resultados se presentan en el Anexo 1.1.3.
Labores de gabinete
En base a la información obtenida durante los trabajos de campo y los
resultados de los ensayos de laboratorio, se efectuó la clasificación de suelos de los
materiales empleándose los sistemas SUCS y AASHTO, con la finalidad de análisis y
correlación de acuerdo a sus características litológicas, lo cual se consigna también
en el perfil estratigráfico (Anexo 1.4).
3.2 Caracterización de las capas granulares
3.2.1 Superficie de rodadura
El tramo I: km 00+000 - km 30+000 de la carretera Izcuchaca - Huancavelica,
presenta dos tipos de superficies de rodadura: entre el km 0+000 al km 25+300 está
compuesto por material granular y desde el km 25+300 al km 30+000 por restos de
un pavimento asfáltico (carpeta en frío).
Subsector km 0+000 – km 25+300. En este subsector se aprecia claramente
que desde el km 0+000 – km 7+400, la superficie está compuesta básicamente por el
suelo natural, y desde km 7+400 hasta km 25+300 se ha verificado la existencia de
material granular cuyo espesor varía entre 15 cm y 40 cm; y donde la sección
(ancho) de la plataforma varía entre 4,0 y 6,0 m
11
Se ha estudiado principalmente esta capa superficial para establecer la
posibilidad de su empleo en la estructura del pavimento a proyectar. Los resultados
obtenidos son los siguientes:
CUADRO N° 1.1
CLASIFICACIÓN DE SUELO INCIDENCIA (%)
A - 1 - a 30,8
A - 1 - b 13,2
A - 2 - 4 42,8
A - 2 - 6 11,6
A - 7 - 5 1,6
CUADRO N° 1.2
TIPO DE SUELO CBR (%) PROGRESIVA
(km) SUCS AASHTO 95% de MDS 100% de MDS
14+300 GM-GC A-2-4(0) 21,3 42,3
20+500 GC A-2-4(0) 15,2 37,3
CUADRO N° 1.3
ENSAYO VALOR PROMEDIO VALOR SUPERIOR VALOR INFERIOR
Límite líquido (%) 27,0 41,0 12,0
Índice plástico (%) 5,5 18,0 N.P.
Equivalente de arena (%) 20,3 39,0 10,0
Caras de Fractura (1 ó más) (%) 64,6 100,0 12,0
Como se aprecia el material no cumple especificaciones técnicas para su
empleo en capas granulares del pavimento. Quizás en el momento de su
12
conformación presento mejores características y en la fecha se encuentra
contaminado por efecto de las lluvias y el tráfico circulante.
Subsector km 25+300 – km 30+000. Presenta restos de una superficie de
rodadura asfáltica con un alto grado de deterioro. Se estima entre 15 y 35% el
remanente de esta capa asfáltica, que presenta fisuras, desprendimientos (baches
severos) y deformaciones (principalmente en las zonas de baches donde ha filtrado
el agua).
A continuación se resume el nivel de deterioro encontrado en la plataforma,
así como la incidencia de los restos del pavimento existente.
CUADRO N° 1.4
SUBSECTOR (km – km)
CARP. ASFALT. EXISTENTE (%) DEFORMACIÓN BACHES EN
PLATAFORMA OBSERVACIONES
25+300-26+000 20 Superficial por humedad 70%, severos Carpeta con fisuras piel de cocodrilo, deformación y desprendimiento. M.A.
26+000-27+000 35 Superficial por humedad 60%, severos Carpeta con fisuras piel de cocodrilo, deformaciones y desprendimiento. M.A.
27+000-28+000 25 Superficial por humedad 70%, severos Carpeta con fisuras piel de cocodrilo, deformaciones y desprendimientos. M.A.
28+000-29+000 20 Superficial por humedad 60%, severos Carpeta con fisuras piel de cocodrilo, desprendimientos. M.A.
29+000-30+000 15 Superficial por humedad. 70% severos Carpeta con fisuras piel cocodrilo y desprendimientos. M.A.
Se ha analizado también el material de base de este pavimento,
encontrándose que presenta las siguientes características:
13
CUADRO N° 1.5
CLASIFICACIÓN DE SUELO INCIDENCIA (%)
A - 1 - a 30.7
A - 1 - b 16.8
A - 2 - 4 46.6
A - 2 - 6 5.9
CUADRO N° 1.6
TIPO DE SUELO CBR (%) PROGRESIVA
(km) SUCS AASHTO 95% de MDS 100% de MDS
26+700 GM A-1-b(0) 43,6 87,3
Como conclusión se establece que debido al alto grado de deterioro de la
carpeta de rodadura, la mayor parte de la base granular se encuentra contaminada.
3.2.2 Descripción de las capas granulares de la subrasante
El trazo del proyecto se desarrolla por la actual plataforma del tramo carretero
Izcuchaca – Palca (km 00+000 – km 30+000). Las perforaciones de exploración de
suelos se efectuaron por tanto en la plataforma vial, por lo que el perfil estratigráfico
elaborado en base al análisis de los suelos refleja básicamente su estructura.
Por los materiales encontrados debajo del nivel de subrasante de la carretera
se puede establecer que se tratan principalmente por materiales granulares como A-
1-a(0), A-1-b(0) y A-2-4(0), y por suelos (naturales) como A-2-6, A-2-7, A-4 y A-6. A
continuación se presenta el resumen de los materiales encontrados (fotos Nº 1 al 18)
14
CUADRO N° 1.7 CLASIFICACIÓN DE SUELO INCIDENCIA (%)
A -1 – a 5.8
A - 1 – b 10.8
A - 2 – 4 19.7
A - 2 – 5 0.5
A - 2 – 6 9.2
A - 2 – 7 0.3
A – 4 10.5
A – 6 9.1
A - 7 – 5 4.8
A - 7 – 6 3.4
En varias de las perforaciones efectuadas se observaron gran concentración
de roca (fijas, alteradas y toba volcánica) que representan aproximadamente el 18%;
y además también bolonerías en 8%.
Respecto a la compacidad de las capas que conforman la plataforma, se
verificó que ésta es de regular a buena.
3.3 Capacidad relativa de soporte de los suelos de subrasante
De acuerdo a las características de los suelos descritos anteriormente, se
efectuó la toma selectiva de muestras para ejecutar los ensayos de C.B.R. (NTP
339.145) con la finalidad de establecer su capacidad relativa de soporte,
obteniéndose los siguientes resultados:
CUADRO N° 1.8
TIPO DE SUELO CBR (%) PROGRESIVA
(km) SUCS AASHTO 95% de MDS 100% de MDS
00+900 GC A-6(4) 11,3 22,0
05+500 CL A-7-6(11) 3,6 8,3
15
TIPO DE SUELO CBR (%) PROGRESIVA
(km) SUCS AASHTO 95% de MDS 100% de MDS
08+100 GM A-2-4(0) 18,1 38,8
11+900 GM A-2-7(0) 12,0 23,0
13+100 CL A-6(11) 3,2 7,4
16+100 MH A-7-5(18) 2,1 5,4
20+100 SM A-2-4(0) 14,1 35,4
25+700 ML A-7-6(12) 5,2 10,1
29+300 MH A-7-5(14) 3,2 6,2
Para la determinación del valor representativo de la capacidad de soporte del
suelo se han utilizado procedimientos estadísticos basados en los criterios
recomendados por la AASHTO y el Instituto del Asfalto (USA); en ambos casos se ha
incidido en la participación real de los suelos encontrados (ver cuadro 1.8). Las
instituciones mencionadas sustentan sus métodos en el empleo de:
AASHTO, con el valor promedio.
El Instituto del Asfalto, con los percentiles, el cual es función del tráfico
proyectado (diseño) en función a lo señalado en el siguiente cuadro.
CUADRO Nº 1.9
NIVEL DE TRÁFICO (EAL)
PERCENTIL DE DISEÑO (%)
104 o menor 60
Entre 104 y 106 75
106 ó más 87,5
Para este caso el nivel de tráfico (EAL8.2) es superior a 105 (ver ítem I.4.), por
lo que el percentil a emplear es 75%.
16
CUADRO N° 1.10
SUBSECTOR PROMEDIO (%) PERCENTIL 75 (%)
km 00+000 - km 06+300 17,0 12,5
km 06+300 - km 08+600 51,0 35,0
Km 8+600 - km 21+800 17,0 12,5
Km 21+800 - km 24+600 (rocas) (rocas)
km 24+600 - km 30+000 24,0 21,0
Como se observa existe alta variación entre el valor promedio y el
percentil. Esto es por la variabilidad existente entre los suelos, más aún si se
trata del mejoramiento de una carretera de anchos variables principalmente
en el subsector 0+000 – 25+300 que tiene sectores con anchos de calzada
entre 4,0 a 6,0 m; los cuales para obtener el prisma vial de diseño requerirán
ser ensanchados. Esto involucra el corte y remoción de suelos no registrados
en las prospecciones de estudio (distanciadas cada 200 m).
Con la finalidad de cubrir la variabilidad en los suelos reportados en el perfil
estratigráfico se empleará el criterio de percentiles para definir el CBR de
diseño. Los suelos que tengan capacidad de soporte inferior a éstos, deberán
ser mejorados ó reemplazados.
3.4 Mejoramiento de la subrasante
En la zona del proyecto se han encontrado sectores con suelos de malas
características de capacidad de soporte CBR o inferiores a los del diseño, por lo que
deberán ser mejorados previa a la colocación de la estructura del pavimento. Los
sectores identificados son:
17
CUADRO N° 1.11
SECTOR ESPESOR (cm) LONGITUD (m)
0+200 – 1+000 50.0 800.0
1+600 – 2+400 50.0 800.0
4+000 – 4+400 50.0 400.0
5+800 – 6+200 50.0 400.0
13+000 – 13+200 50.0 200.0
18+800 – 19+000 50.0 200.0
25+800 – 26+000 50.0 200.0
27+000 – 27+040 50.0 40.0
Para tal efecto el material de reemplazo que deberá poseer un CBR igual ó
superior a 30% (al 95% de MDS). Se debe indicar que este espesor es compatible
con los valores de soporte empleados en la metodología de diseño (AASHTO e
Instituto del Asfalto).
I.4 ANÁLISIS DE TRÁFICO
La información de tráfico ha sido proporcionada por la Gerencia de Estudios y
Proyectos del Provias Nacional. Esta información, según refieren, tiene como base al
Estudio de Viabilidad de la carretera Izcuchaca - Huancavelica.
El EAL de diseño para 10 años, cuyo año base es el 2005, es 8,64 x 105 repeticiones
de ejes simples equivalentes a 8,2 tn.
I.5 ESTUDIO DE CANTERAS Y FUENTES DE AGUA
Con la finalidad de ubicar volúmenes disponibles de materiales con características
geotécnicas adecuadas en relación con el uso a dar, la facilidad de acceso, los
procedimientos de explotación y la distancia de transporte, se efectuó el reconocimiento y
estudio de los diversos tipos de materiales existentes en la zona.
La calidad de los materiales para usos diversos, ha sido verificada mediante los
siguientes ensayos estándar (ver Anexo 1.1.1).
18
Análisis granulométrico por tamizado (NTP 400.012)
Material pasante la malla N° 200 (NTP 339.132)
Límites de consistencia (NTP 339.129)
Límite líquido, límite plástico, índice de plasticidad
Clasificación SUCS (NTP 339.134)
Clasificación AASHTO (NTP 339.135)
Contenido de humedad (NTP 339.127)
Proctor modificado (NTP 339.141)
Equivalente de arena (NTP 339.146)
Abrasión (NTP 400.020)
California Bearing Ratio (CBR) (NTP 339.145)
Durabilidad con sulfato de magnesio (NTP 400.016)
Porcentaje de caras de fractura (NTP 400.040)
Porcentaje de partículas planas y alargadas (NTP 400.040)
Peso unitario (NTP 400.017)
Gravedad específica y absorción agregado grueso (NTP 400.021)
Gravedad específica y absorción agregado fino (NTP 400.022)
Módulo de fineza en agregado fino (ASTM C-125)
Impurezas orgánicas en agregados finos (NTP 400.024)
Residuos sólidos (sales solubles totales) (NTP 339.071)
Adherencia agregado fino - asfalto (MTC E-220)
Adherencia agregado grueso - asfalto (AASHTO T 182)
Sulfatos expresados como ión SO4= (NTP 339.074)
Cloruros expresados como ión Cl - (NTP 339.076)
Materia orgánica en agua, expresado como oxígeno (NTP 339.072)
Potencial de hidrógeno de agua (pH) (NTP 339.073)
Efecto del agua sobre agregados con recubrimiento bitu-
minoso usando agua en ebullición (ASTM D-3625)
Humedad en mezclas de concreto asfáltico – Lottman (ASTM D-4867)
El análisis de los materiales para la fabricación de mezclas asfálticas ha involucrado
a las canteras “Santa Cecilia - Ex Casma”, “Tapana” y “km 17+500”. Se han empleado
ensayos para verificar la adhesividad del asfalto – árido (stripping AASHTO T –182, Riedel
19
Weber MTC E - 220) y de la mezcla asfáltica (efecto del agua sobre agregado con
recubrimiento bituminoso usando agua en ebullición ASTM D – 3625); sin embargo el
ensayo definitivo ha sido el que predice a largo plazo la suceptibilidad al desprendimiento de
la película de asfalto en mezclas bituminosas (efecto de la humedad en mezclas de concreto
asfáltico – Lottman ASTM D-4867).
Los ensayos Lottman efectuados a las mezclas se efectuaron a los agregados sin
lavar. Inicialmente los resultados de las canteras “km 17+500” y de la mezcla “Tapana” con
la “km 11+600” fueron negativos, procediéndose luego a efectuar la prueba con la cantera
“km 17+500”, adicionándole 0,5% de aditivo tipo amina (en peso del asfalto); si bien el
incremento en los resultados no llegaron a cubrir lo requerido se puede predecir que la
mezcla será aceptable cuando se efectúe el lavado de los materiales. Se debe indicar
también que no se continuó con las pruebas a la cantera Tapana por lo gran cantidad de
finos plásticos que contenía.
Es recomendable también el empleo de la arena de la cantera Santa Cecilia como
parte de la mezcla asfáltica, siendo la arena a emplear en la mezcla asfáltica (de Santa
Cecilia ó km 17+500) definidas en los ensayos Marshall y Lottman.
Finalmente la siguiente es la recomendación de empleo de los materiales en función
a la calidad y disponibilidad de materiales.
Santa Cecilia – Ex Casma …………….. arena para mezcla asfáltica
Km 11+000 ……………… ……………… relleno
Tapana …………………………………… base granular
Km 17+500 ……………………………… mezcla asfáltica
Las recomendaciones correspondientes para su empleo se señalan a continuación:
5.1 Cantera “Santa Cecilia” (Ex – Casma)
Se ubica en la carretera Huancayo - Izcuchaca, a 6,5 km de Izcuchaca en el
lado izquierdo (foto N° 25). Cuenta con un acceso de 100 m
20
Es un depósito de arena de origen aluvial, cuya potencia es superior a los
18000 m3.
La arena puede emplearse para la fabricación de mezcla asfáltica y concreto
de cemento portland, previa eliminación de la cobertura vegetal existente
El rendimiento estimado es de 100%
Para mezcla asfáltica se requiere el empleo de un mejorador de adherencia
tipo Amina (0,5% en peso respecto del asfalto), y si se requiere un rellenador de
vacíos en la mezcla asfáltica se estudiará el empleo de cal hidratada.
Esta arena puede emplearse conjuntamente con la cantera km 17+500 para
la fabricación de mezclas asfálticas.
La extracción del material se puede efectuar durante todo el año, para lo cual
requieren del uso de cargador frontal.
Es de Propiedad privada.
5.2 Cantera km 11+000
Se ubica a la altura del km 11+000 de la carretera Izcuchaca - Huancavelica,
en el lado derecho, cuyo acceso es directo (foto N° 26)
Se trata de una formación de roca meteorizada cuya potencia es superior a
los 12 000 m3.
Por las características físico-mecánicas de los materiales, este puede
utilizarse como material de relleno. La extracción del material se puede efectuar
durante todo el año, para lo cual requieren del uso de tractor oruga y eventualmente
de explosivos.
El rendimiento estimado para relleno es de 90%.
21
La selección de los materiales se efectuará mediante zaranda verificando el
cumplimiento de requerimientos granulométricos.
Propiedad libre explotación
5.3 Cantera Tapana km 11+600
Se ubica a la altura del km 11+600 de la carretera Izcuchaca – Huancavelica
en el lado derecho, cuyo acceso es de 3,7 km (fotos N° 27)
Es un depósito de origen aluvial, cuya potencia es superior a los 100 000 m3.
Presentan también alto porcentaje de agregados de forma redondeada a
subangular. Los agregados entre 2” y 4” representan aproximadamente el 30 % del
total de los materiales.
El rendimiento estimado para base granular es de 90%.
Para el empleo en base granular se requiere el chancado, zarandeo y lavado
de los materiales.
La extracción del material se puede efectuar durante todo el año, para lo cual
requieren del uso de chancadora y equipo convencional.
Es de Propiedad privada.
5.4 Cantera km 17+500
Se ubica en la carretera Izcuchaca - Huancavelica, km 17+500 en el lado
derecho de la vía (talud superior), cuyo acceso es de 100 m (fotos N° 28).
Es un depósito de origen aluvial, cuya potencia es superior a los 25 000 m3.
Los agregados son de forma subredondeada con presencia de agregados
mayores a 2” que representan aproximadamente el 25 % del total de los materiales;
el resto son de menor tamaño.
22
El rendimiento estimado para mezcla asfáltica es de 95%.
Para mezcla asfáltica se requiere el zarandeo y lavado de los materiales, así
como el chancado de los agregados gruesos. Se empleará un mejorador de
adherencia tipo Amina (0,5% en peso respecto del asfalto), y si se requiere un
rellenador de vacíos se estudiará el uso de cal hidratada.
La extracción del material se puede efectuar durante todo el año, para lo cual
requiere el uso de equipo convencional.
Propiedad libre explotación
5.5 Fuentes de Agua
En los sectores abajo señalados durante la etapa de estudio se verificó flujos
de agua, muestreándose las fuentes para los trabajos de conformación de las capas
granulares y para concreto de cemento portland (fotos Nº 29 y 30); las muestras de
agua fueron tomadas y analizadas en laboratorio concluyéndose que presentan
características apropiadas cumpliendo las correspondientes Especificaciones
Técnicas (ver Anexo 1.3).
- Puente Tambillo, km 02+200
- Yanacollpa, km 17+600
I.6 DISEÑO DEL PAVIMENTO
El pavimento se diseñará empleando la metodología AASHTO, y se efectuará un
diseño comparativo con el método del Instituto del Asfalto.
Se han analizado diferentes tipos de alternativas para la estructuración del
pavimento acorde al tipo de carretera, tráfico que circulará por el periodo de diseño y altura
sobre la que se desarrolla la carretera. Es así que se ha descartado el diseño de pavimentos
inicialmente propuesto en el Expediente del Consorcio CPA. Además de lo señalado y por
disposición de materiales en la zona, el pavimento se encamina a tener como superficie de
rodadura una carpeta con mezcla asfáltica en caliente.
23
En tal sentido se efectuará el diseño con una carpeta asfáltica en caliente y para un
periodo de diseño de 10 años.
6.1 Método AASHTO
6.1.1 Descripción del método
La metodología AASHTO es reconocida a nivel mundial porque se basa en
valiosa información experimental. Consiste en determinar un Número Estructural
(SN) requerido por el pavimento a fin de soportar el volumen de tránsito
satisfactoriamente durante su periodo de diseño. El procedimiento desarrollado es
conforme con lo expuesto en Guide for Design of Pavement Structures 1993.
Dentro de las consideraciones del método están:
El Módulo Resilente (Mr) es una medida de las propiedades elásticas de los
suelos. Debido a la escasa información local, este parámetro se ha
establecido en función a algoritmos reconocidos internacionalmente; así
también, tampoco se emplean por el mismo motivo el valor de daño relativo
(uf) para el cálculo del Mr estacional.
El Coeficiente de Drenaje toma en cuenta los efectos de los distintos niveles
de eficiencia del drenaje en el comportamiento de la estructura. Este
parámetro modifica el coeficiente estructural de las capas granulares
(subbase y base granular).
El método incorpora la estadística para establecer un cierto grado de
confiabilidad en el proceso de diseño, este aspecto es incorporado mediante
el Nivel de Confiabilidad (R) que a su vez se basa en la distribución normal
y es función de la desviación estándar (S0) que se ubica entre 0,4 y 0,5.
El Índice de Serviciabilidad Final deberá ser tal que culminado el periodo de
diseño, la vía (superficie de rodadura) ofrezca una adecuada serviciabilidad.
De acuerdo a los términos de referencia este valor para el proyecto en
desarrollo es 2.
24
Los números estructurales SN, del pavimento son obtenidos mediante la
siguiente expresión:
07.8log32.2
)1(109440.0
)5.12.4
log(20.0)1log(36.9log
19.5
18 −+
++
−∆
+−++= ROR M
SN
PSI
SNSZW
La expresión que relaciona el número estructural con los espesores de capa
es:
SN = a1 D1 + a2 m1 D2 + a3 m2 D3
Donde:
a1, a2, a3 = Coeficientes estructurales o de capa
m1, m2 = Coeficientes de drenaje
D1, D2, D3 = Espesores de capa
6.1.2 Parámetros de diseño
Módulo resilente (Mr)
En el ítem I.3 (3.3) “capacidad relativa de soporte de los suelos”, se definió los
CBRs de diseño.
Para acceder a los Abacos de diseño AASHTO 93, es necesario que este
valor de CBR sea traducido a Módulo Resilente (Mr). Dada la escasa información
existente en el medio sobre estos ensayos, se ha empleado una correlación entre
CBRs versus Módulos de Resilencia (para suelos granulares) publicada en FHWA-
PL-98-029:
Mr = 4326 x ln CBR + 241
25
CUADRO N° 1.12
SUBSECTOR CBR
(%)
MÓDULO RESILENTE
(psi)
km 00+000 – km 06+300 12,5 11167
km 06+300 – km 08+500 (roca) -
km 08+500 – km 21+300 12,5 11167
km 21+300 – km 24+500 (roca) -
km 24+500 – km 30+000 21,0 13412
Tráfico
Del ítem I.4 (4.1) tráfico de diseño, se tiene que el número de repeticiones de
carga equivalentes a ejes simples de 8,2 tn es:
CUADRO Nº 1.13
TRAMO EAL 10 años
km 00+000 - km 30+000 8,64 x 105
Confiabilidad
Para su determinación se empleó la Guía AASHTO (2.1.2 Traffic, Part II:
Pavement Design Procedures for New Construction or Reconstruction). Se está
tomando una confiabilidad de 95%, con el cual se obtiene una Desviación Estándar
Normal (ZR):
ZR = -1,645
Desviación estándar total
S0 = 0,45
26
Serviciabilidad
Serviciabilidad Inicial (pi) = 4,2
Serviciabilidad Final (pt) = 2,0
Coeficientes estructurales de capas
Basados en lo señalado en el ítem 2.3.5 Layer coefficients, de la Guía de
Diseño AASHTO, los coeficientes estructurales de capa considerados para el cálculo
del número estructural de diseño son los siguientes:
a1 = 0,44/pulg ó 0,17/cm (para carpeta asfáltica en caliente)
a2 = 0,138/pulg ó 0,054/cm (para agregados de CBR = 80%)
Coeficientes de drenaje
Para la elección del Coeficiente de Drenaje se han tomado las siguientes
consideraciones:
Exposición en agua de las estructuras de drenaje, entre 5 y 25%.
La condición de los sistemas de drenaje es Regular.
Por lo tanto se asume un Coeficiente de Drenaje mi = 1,0.
6.1.3 Diseño del pavimento para 10 años
La estructura propuesta de pavimento ha sido diseñada para soportar el peso
de la densidad de tráfico proyectado para su ciclo de vida, altas presiones y
esfuerzos, de tal manera que éstas lleguen satisfactoriamente a los suelos bajo el
nivel de subrasante. Se consideró las características geotécnicas de los materiales
que conformarán la estructura vial, con propiedades de resistencia y valor de soporte
creciente a partir del suelo de fundación y de allí a la superficie del pavimento.
27
Aplicando el Nomograma y/o la Ecuación de Diseño se obtiene para los
parámetros indicados y un periodo de diseño de 10 años (las hojas de cálculo se
presentan en el Anexo 1.2), lo siguiente:
CUADRO N° 1.14
SUBSECTOR Numero Estructural (SN)
km 00+000 – km 06+300 3,00
km 06+300 – km 08+500 2,36
km 08+500 – km 21+300 3,00
km 21+300 – km 24+500 2,09
km 24+500 – km 30+000 2,81
Por lo tanto, tomando en cuenta las consideraciones mencionadas, se obtiene
para el proyecto con un periodo de servicio de 10 años, la siguiente estructura:
CUADRO N° 1.15
ESTRUCTURA
ESTRUCTURA Carpeta
Asfáltica (cm)
Base
Granular (cm)
SN
(real)
km 00+000 – km 06+300 7,5 32,0 3,00
Km 06+300 – km 08+500 7,5 20,0 2,36
Km 8+500 – km 21+300 7,5 32,0 3,00
Km 21+300 – km 24+500 7,5 15,0 2,09
Km 24+500 – km 30+000 7,5 30,0 2,81
28
Como se indica en el ítem 3.2.1. se efectuaron los estudios correspondientes para
establecer la posibilidad de empleo de la actual capa superficial (km 0+000 – km 25+300) y
base granular (km 25+300 – Km 30+000), sin embargo los análisis indican que los
materiales no reúnen las condiciones requeridas por las especificaciones técnicas,
principalmente por que han sido expuestas a las condiciones ambientales (sol, lluvia, etc.) y
a los efectos abrasivos del tráfico.
6.2 Método del Instituto del Asfalto
6.2.1 Descripción del método
Se efectuó un diseño comparativo de pavimento empleando el Método del
Instituto del Asfalto, el cual se desarrolla conforme a lo establecido en el Manual
Series N°1 (MS-1) “Thickness Design, Asphalt Pavements for Highways & Streets”
de febrero 1991.
El método se basa en dos condiciones específicas de esfuerzo-deformación.
La primera es la aplicación de una carga sobre la superficie del pavimento, la
estructura distribuye los esfuerzos reduciendo su intensidad a medida que profundiza
en la subrasante. La segunda condición, es cuando la carga aplicada al pavimento,
deflecta la estructura, causando esfuerzos y deformaciones de tensión y compresión
en la capa asfáltica.
El Instituto del Asfalto ha desarrollado un programa de cómputo denominado
DAMA y una serie de nomogramas para facilitar el diseño. Este considera
temperaturas de 7 °C, 15,5 °C y 24 °C.
6.2.2 Parámetros de diseño
El método requiere de la siguiente información para efectuar el diseño
(tomados del ítem 6.1.2).
29
Módulo resilente
CUADRO Nº 1.16
SUBSECTOR CBR MÓDULO RESILENTE
km 00+000 – km 06+300 12,5 11167 psi ó 77 MPa
km 06+300 – km 08+500 Roca -
Km 8+500 – km 21+300 12,5 11167 psi ó 77 MPa
Km 21+300 – km 24+500 Roca -
km 24+500 – km 30+000 21,0 13412 psi ó 92.5 MPa
Tráfico
De la información proporcionada se tiene:
CUADRO Nº 1.17
SUBSECTOR 10 AÑOS
Km 00+000 - km 30+000 8,64 x 105
6.2.3 Diseño del pavimento
El diseño se efectuó para 10 años, empleando el Abaco Design Chart A-6,
cuyas condiciones son el empleo de una Base Granular de 30 cm de espesor y una
temperatura de 7 °C.
CUADRO N° 1.18
ESTRUCTURA Carpeta
Asfáltica (cm)
Base
Granular (cm)
km 00+000 – km 06+300 12,5 30,0
30
ESTRUCTURA Carpeta
Asfáltica (cm)
Base
Granular (cm)
Km 06+300 – km 08+500 12,5 30,0
Km 8+500 – km 21+300 12,5 30,0
Km 21+300 – km 24+500 12,5 30,0
Km 24+500 – km 30+000 12,5 30,0
Los espesores de la carpeta han sido considerados de la curva más próxima
al punto obtenido entre la intersección entre el EAL y el Mr.
I.7 ACTIVIDADES PARA LA REHABILITACIÓN Y MEJORAMIENTO DEL PAVIMENTO
Los trabajos que se ejecutarán para la rehabilitación y mejoramiento del pavimento
de la carretera Izcuchaca – Huancavelica, Tramo I: km 0+000 – km 30+000, son:
Eliminación de la superficie de rodadura asfáltica existente en el sector km 25+300 – km
30+000 que se señala en el ítem 3.2.1 (cuadro Nº 14)
Mejoramiento de subrasante en los sectores y profundidades indicados en el ítem 3.4
(Cuadro N° 1.11)
Perfilado y compactado de subrasante.
Colocación de Base Granular de acuerdo a los espesores indicados en el ítem 6.1.3
(cuadro Nº 1.14)
Imprimación de la base granular y berma (se empleará asfalto líquido MC-30).
Colocación de la carpeta asfáltica de 7.5 cm como superficie de rodadura, se
recomienda que la berma también cuente con la protección de la carpeta asfáltica.
Construcción de las estructuras de drenaje señaladas en el capítulo III
Aplicación de las recomendaciones señaladas en el capítulo II (estudio geotécnico).
31
I.8 CONCLUSIONES
El tramo I: km 0+000 – km 30+000 de la carretera Izcuchaca - Huancavelica presenta
como superficies de rodadura:
Subsector km 0+000 – km 25+300. Este subsector desde el km 0+000 al km 7+400,
tiene la superficie compuesta básicamente por el suelo natural; y desde km 7+400 hasta
km 25+300 presenta material granular cuyo espesor varía entre 15 cm y 40 cm. El ancho
de algunos sectores de la plataforma es variable entre 4,0 y 6,0 m
Subsector km 25+300 – km 30+000. Presenta restos de una superficie de rodadura
asfáltica deteriorada. Se estima entre 25 y 35% el remanente de esta capa, que presenta
fisuras, desprendimientos (baches severos) y deformaciones. Esta capa asfáltica debe
ser retirada.
De acuerdo a las características físico-mecánicas de los suelos de la subrasante y su
valor relativo de soporte CBR, el tramo en estudio se ha sectorizado en:
CUADRO 1.19
SUBSECTOR CBR
(95% de la MDS)
km 00+000 – km 06+300 12,5%
km 06+300 – km 08+500 (roca)
Km 8+500 – km 21+300 12,5%
Km 21+300 – km 24+500 (roca)
km 24+500 – km 30+000 21,0%
De ser requeridos ensanches para obtener el prisma vial diseñado, la conformación del
terraplén se efectuará por capas de acuerdo a las Especificaciones Técnicas y con
materiales que presenten valores de soporte (CBR) de 30 al 95% de la máxima
densidad seca
32
Las prospecciones de estudio (hasta 1,50 m) han permitido verificar la existencia de una
plataforma compuesta principalmente por materiales granulares como A-1-a(0), A-1-b(0)
y A-2-4(0) en aproximadamente 36%; los suelos naturales como A-2-5, A-2-6 y A-2-7
representan el 10%, los suelos A-4, A-6 en 20% y A-7-5, A-7-6 en 8% En estas
perforaciones se han encontrado roca (fijas alteradas y toba volcánica) en un 18% y
erráticamente bolonerías en 8%. En el sector km 7+400 al km 25+300 se ha encontrado
una capa granular superficial que no cumple especificaciones técnicas (índice plástico,
equivalente de arena, caras de fractura, etc) debido a su exposición al medio ambiente
(lluvias, sol) y efecto abrasivo del tráfico.
También se han ubicado sectores en la subrasante con arcillas y limos cuyos CBRs son
inferiores a los de diseño y que deben mejorarse previo a la colocación del pavimento,
con material cuyo CBR sea igual o superior a 30% (al 95% de MDS). En el ítem 3.4
(cuadro Nº 1.11) se indica los sectores y profundidades a mejorar.
Respecto a las fuentes de materiales para mezclas asfálticas, las dos canteras con
mejores posibilidades de empleo: “Santa Cecilia – Ex Casma” (arena) y “km 17+500”
adicionándole 0,5% de aditivo mejorador de adherencia tipo amina, presentan una
aceptable suceptibilidad al desprendimiento de la película de asfalto en mezclas
bituminosas, al ser probadas mediante el ensayo “Efecto de la Humedad en Mezclas de
Concreto Asfáltico – Lottman” (ASTM D 4867).
Si bien los agregados de la cantera km 17+500 son de forma redondeada a
subredondeada, se está recomendando el empleo de chancadora, zarandeo y lavado,
con la finalidad de fabricar agregados limpios con tamaños necesarios para cubrir
cualquier deficiencia en la gradación.
Para base granular se ha definido la cantera Tapana km 11+600 L.D, cuyo acceso es de
3.7 km. Es un depósito de origen aluvial, cuya potencia es superior a los 100 000 m3.
Así también para el empleo del material se requiere su chancado, zarandeo y lavado.
Se ha tomado para el diseño del pavimento el Tráfico proporcionado por la Gerencia de
Estudios y Proyectos del Provias Nacional, como se detalla en el ítem I.4.
33
Bajo las consideraciones antes señaladas se han empleado las metodologías AASHTO
e Instituto del Asfalto, las mismas que contemplan las condiciones del proyecto (tráfico,
suelos, topografía, disposición de materiales en la zona). Como resultado del análisis se
proyectan las siguientes estructuras de pavimento:
CUADRO N° 1.20
ESTRUCTURA
SUB SECTOR Carpeta
Asfáltica (cm)
Base
Granular (cm)
km 00+000 – km 06+300 7,5 32,0
Km 06+300 – km 08+500 7,5 20,0
Km 8+500 – km 21+300 7,5 32,0
Km 21+300 – km 24+500 7,5 15,0
Km 24+500 – km 30+000 7,5 30,0
El diseño contempla la eliminación total de la carpeta de rodadura existente en el sector
km 25+300 – km 30+000, sección superior de la base granular (parte imprimada de 5 cm
de espesor aproximadamente), los sectores de base contaminadas (por influencias de
baches)
Es necesario el mejoramiento de la subrasante en los sectores cuyos suelos presentan
deficientes características físico-mecánicas.
La estructura señalada en el cuadro Nº 1.20 se colocará en su integridad, ya que se ha
descartado el aporte de la superficie granular existente.
Se deberá emplear Cemento Asfáltico tipo PEN 120/150, para la fabricación de mezcla
asfáltica, y asfalto líquido MC-30 para imprimación.
34
I.9 RECOMENDACIONES
Se recomienda la implementación de los sistemas de drenajes y recomendaciones
geotécnicas señaladas en los capítulos III y II.
La calidad y permanencia de la obra depende de que se efectúe el control oportuno
de los parámetros de calidad de los materiales antes y durante su ejecución (proceso
constructivo). Por lo tanto deberán aplicar en forma estricta y adecuada las técnicas
y procedimientos utilizados en ingeniería para la explotación de Bancos de
Materiales (Canteras), fundamentalmente teniendo siempre en consideración la
variabilidad horizontal y vertical que presentan las mismas por su origen.
El proyecto se ejecutará bajo las Especificaciones Técnicas adjuntas, las cuales se
complementan con las Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de
Carreteras del MTC.
Se observa buenas condiciones para la ubicación de las plantas chancadora y de
fabricación de mezcla asfáltica, a la altura de la cantera km 17+500 lado derecho e
izquierdo de la carretera.
Se deben considerar los aspectos de medioambiente, como la remodelación del
terreno de las canteras explotadas (para recuperar sus características originales) ó la
ubicación de lugares específicos para la colocación de desechos, entre otros.