evaluaciÓn de daÑos en carretera de concreto en …cp2015/link/papers/8257.pdf · evaluaciÓn de...

1

EVALUACIÓN DE DAÑOS EN CARRETERA DE CONCRETO EN GUATEMALA: UN CASO DE ESTUDIO.

Luis Alvarez Valencia Ingeniero Civil Instituto del Cemento y del Concreto de Guatemala, ICCG Guatemala, Guatemala [email protected] RESUMEN: Debido al deterioro prematuro que presenta un pavimento de concreto en un tramo de 35 kilómetros con 3 años de uso en la vía que conduce de la ciudad de Guatemala hacia el Occidente del país y específicamente el tramo Tecpán-Los Encuentros se realizó un estudio para la evaluación y determinación de las causas. El pavimento de concreto está construído con losas cortas de 1.80 metros por 1.80 metros, juntas con corte de 2mm. sin sello con un espesor de 18 centímetros, sin pasadores para transferencia de carga. Los daños que se encontraron de una inspección inicial fueron: escalonamientos, daños superficiales en las losas del pavimento, grietas, infiltración de agua, zonas de deslizamiento de las losas, bombeo de agua por las juntas, apertura de las juntas. Como conclusión se evidenció la falta de estudios previos al diseño de la rehabilitación de la carretera, por lo que se dejaron de lado aspectos importantes como drenajes, estabilización de taludes, preparación de las bases, sellos de juntas entre otros. 1. METODOLOGÍA DEL ESTUDIO:

a. Se efectuó un diagnóstico detallado mediante 40 perforaciones o sondeos verticales con recuperación de núcleos, con una profundidad de 4 metros cada uno en los sitios seleccionados, con el objetivo de conocer a detalle las condiciones mecánicas y estáticas del suelo, las hidromecánicas e hidrodinámicas, así como la variabilidad del nivel freático. El equipo consiste en una perforadora de motor diesel, montada sobre patines con tubería de perforación para alcanzar hasta 15 metros de profundidad. Las muestras siempre y cuando el suelo lo permitió se extrajeron inalteradas con un muestreador de pared delgada tipo “Shelby” de 3” de diámetro. Las muestras de núcleo de suelo o roca se colocaron en cajas de madera y las muestras alteradas se colocaron en bolsas plásticas herméticas debidamente selladas y etiquetadas.

b. En base a los núcleos recuperados se realizó un estudio de suelos con ensayos de: Descripción visual del

estrato. Determinación del contenido de humedad. Determinación de los límites de Atterberg en materiales plásticos. Granulometría por estrato. Ensayo de compactación modificada por estrato de subrasante. Determinación del valor soporte de California CBR sobre el estrato de subtrasante.

Luís Alvarez Valência, Evaluación de daños en carretera de concreto en Guatemala: Un caso de estudio

2

c. Mediante un levantamiento topográfico y geoposicionamiento, se ubicaron las áreas con daño actual y potencial, así como se realizó un levantamiento planialtimétrico de las secciones transversales y longitudinales de las mismas.

d. Se desarrolló de un estudio hidrológico para conocer la precipitación media de las cuencas que atraviesa la vía, la precipitación máxima probable, el caudal de escorrentía en las cuencas y la máxima capacidad drenante para así retratar el comportamiento hídrico superficial.

2. INSPECCIÓN VISUAL: El pavimento de concreto con tres años de uso presenta daños prematuros y el primer paso previo a la realización de los estudios correspondientes fue una inspección visual del tramo para definir los puntos críticos a evaluar, en el pavimento se presentan daños como losas con fisuras, losas quebradas, escurrimiento de agua, escalonamientos, daños en las juntas, apertura de las juntas, deslizamiento de las losas, evidencia de bombeo del material de base hacia la superficie. Juntas en su mayoría sin sello, en las que se tiene sello se ve deteriorado y fuera de la caja. Se pudo establecer que la mayoría de daños se encuentrar en el carril que va de oriente a occidente, tramo que fue construído sobre un pavimento asfáltico que presentaba deterioro avanzado. Los daños se evidencian en tramos específicos de la vía.

Figura 1. Escurrimiento de agua sobre las losas Figura 2. Evidencia de bombeo

Figura 3. Losas con grietas y escalonamiento Figura 4. Fallas de esquina y juntas abiertas


3

3. RESULTADOS: Sondeos:

Figura 5. Localización de los tramos y puntos de sondeo

Figura6. Equipo de perforación Figura 7. Perforación en el pavimento

Se realizaron 40 sondeos los cuales quedaron geoposicionados y con sus debidas coordenadas en el levantamiento topográfico. En general, el proceso de perforación se hizo de la siguiente manera: Avance de 0.55 metros con perforación rotativa durante el cual se ejecutó el ensayo de permeabilidad “in situ”, luego ejecución de ensayo de penetración estándar con un avance de 0.45 metros y luego se alternó entre perforación rotativa en tramos de 0.55 m y ejecución de ensayos de penetración estándar en tramos de 0.45 m.


4

Se hace notar que en varios casos las muestras recuperadas son alteradas y que no se puede establecer con exactitud la profundidad de cambio de estratos, pues no siempre se recupera el 100% de la muestra en cada maniobra. Tomando esto en cuenta, se procedió a establecer la descripción visual de la estratigrafía en cada sondeo, como este ejemplo: Tabla 1. Sondeo 3

Profundidad (m) Descripción de Estrato

0.00 – 0.16

0.16 – 0.45

0.45 – 1.00

1.00 – 1.60

1.60 – 2.00

2.00 – 2.65

2.65 – 3.40

3.40 – 4.00

Losa de pavimento rígido. Arena media a fina con trazas gruesas con poco limo y trazas de arcilla, gris claro, con poca grava fina a media, denso, no plástico (Capa de base estabilizada con cemento). Arena media a fina con trazas gruesas y poco limo, gris, con trazas de piedra pómez y grava fina, medio compacto a compacto, no plástico (Capa de subbase) (SPT de 28). Limo arcillo arenoso, beige y café oscuro, con trazas de piedra pómez y grava fina a regular, medio compacto con partes blandas, medio plástico (Relleno) (SPT de 6). Limo arcilloso con trazas de arena fina, café claro con lentes beige, blando, plástico. Limo con poca arcilla y trazas de arena fina a media, café amarillento, medio compacto a blando, poco plástico (SPT de 9). Limo arcilloso con poca arena fina a media, beige con lentes amarillentos, medio compacto, poco a medio plástico. Limo arcilloso con trazas de arena fina, beige con lentes amarillentos, medio compacto a blando, medio plástico (SPT de 6). Limo arcilloso con poca arena fina a media, beige con lentes amarillentos, medio compacto, poco a medio plástico. Limo arcilloso con trazas de arena fina, beige con lentes amarillentos, medio compacto a blando, medio plástico (SPT de 6).

Figura 8. Caja con la muestra del sondeo 3

En base a estos sondeos se pudo determinar en cada caso el espesor del pavimento, las capas de base y subbase y el nivel de la subrasante. El material recuperado sirvió para el estudio de suelos. En el caso de los testigos de concreto fueron ensayados a compresión para establecer la resistencia del concreto.


5

De los sondeos, se estableció que la estructura del pavimento está formada por una losa de concreto con espesor entre 15 y 19 centímetros. Debajo de ésta se encontró una capa de base de material reciclado del pavimento anterior. Esta base fue compactada en dos capas, la inferior sin cemento y la superior estabilizada con cemento. El espesor de estas dos capas es de aproximadamente 40 cms. Se tomaron 11 testigos de concreto y sobre ellos se hizo ensayos de compresión. Las resistencias obtenidas van de 4,786 a 7,568 psi. El promedio es de 6,407 psi. De acuerdo con la sección 501 del libro de especificaciones para construcción de carreteras y puentes de Guatemala, edición 2001, el concreto de las losas debe tener una resistencia superior a 3,500 psi. Se estableció que la resistencia de diseño del proyecto es de 4000 psi, las losas del tramo investigado superan este valor.

De manera similar, se hicieron ensayos de compresión no confinada sobre 3 testigos del material de base. Los valores obtenidos son 996, 1,074 y647 psi. De acuerdo con la sección 310 del libro azul (Recuperación y estabilización del Pavimento Existente), el material recuperado estabilizado con cemento debe tener una resistencia a la compresión mínima de 507 psi. Los tres testigos dieron valores superiores a éste.

Los valores de N obtenidos del ensayo de penetración estándar de la capa de base van de 18 a rechazo, con promedio de 60. La subbase tiene valores de N entre 16 y 43 con promedio de 23.

El ideal en un pavimento rígido es que las capas de base y subbase sean de resistencia uniforme, para que el pavimento distribuya adecuadamente las cargas. De los ensayos de SPT se ve que estas capas tienen densidades variables. Asimismo, el material debajo de la estructura del pavimento varía: Se encontró rellenos de mala calidad, capa vegetal, limos arcillosos, arcillas y roca, proveyendo un soporte heterogéneo al pavimento.

Se hizo un ensayo de compactación sobre el material de relleno de los sondeos Nos. 30, 31 y 36. Con el resultado de este ensayo y los pesos unitarios de los testigos recuperados en estos sondeos, se procedió a calcular los porcentajes de compactación del relleno. Éstos dieron valores de 79.55, 71.43 y 67.52. Los rellenos estructurales para terraplenes deben compactarse a un mínimo de 90% y se deben utilizar materiales selectos. De los resultados se ve que los rellenos tienen porcentajes de compactación muy inferiores a éste y que se utilizaron materiales plásticos. Varios tramos de la carretera colindan con taludes de 30 a 50 metros de profundidad y con pendientes altas. En algunos tramos, la situación se agrava por el hecho de que el agua de lluvia es desfogada directamente sobre la corona de los mismos. Los taludes sufren movimiento, lo cual incide en la separación de las losas, permitiendo el ingreso del agua. Para que un pavimento rígido trabaje bien, necesita estar confinado. Esto no ocurre en las cercanías a taludes de barrancos.


6

Estudio de Suelos: Tabla 2. Resultados de los estudios de suelos

Estudio Hidrológico: Objetivo General: Determinación de la hidrología sobre la carretera y en áreas aledañas a la misma, para el diseño de las acciones que permitan el manejo integral del agua, garantizando la estabilidad del tramo carretero Tecpán-Los Encuentros, de la Carretera Interamericana (CA-1) Objetivos específicos: Estimar las condiciones de precipitación pluvial sobre el área de estudio Determinar el área de captación y/o escurrimiento con influencia sobre el área de estudio Definir la red de flujo hídrico y sus características morfométricas Estimar la recarga potencial del agua en la zona aledaña con influencia sobre el área de estudio Determinar la escorrentía máxima en condiciones extremas, con influencia sobre la infraestructura vial existente (carretera y sus obras de drenaje) Del estudio se puede concluir que el área se encuentra un ambiente de alta montaña, desarrollado bajo influencia volcánica, lo cual se ve reflejado en su geología de cenizas volcánicas principalmente y los suelos que en un 99.9% son


7

andisoles, que se han desarrollado sobre diferentes tipos de material geológico volcánico, estos materiales se han acumulado en gran medida a través de los años de tal forma que se encuentran grandes depósitos de cenizas volcánicas de diferentes granulometrías y algunas veces en diferentes grados de meteorización. El análisis climático del área de estudio muestra que el área está sujeta a una precipitación moderada, ya que luego de que la humedad ha sido descargada en la bocacosta de Guatemala, las masas de aire suben cargadas de menos humedad las cuales depositan en el altiplano guatemalteco. Las precipitaciones son moderadas de 1000 a 1400 mm en promedio, en el área del altiplano, sin embargo se tienen regímenes de precipitación que están influenciados por fenómenos convectivos fuertes, de esta manera en el área se presentan tormentas de granizo con frecuencia y además según los estudios desarrollados, existen probabilidades de lluvias máximas de 54 hasta 157 mm/h, en periodos cortos de 10 a 20 minutos. Las temperaturas promedio son de 21 a 22 grados Celsius y la humedad en el rango de más del 70%. Una parte importante del aporte de humedad al área es la nubosidad constante, que es captada como lluvia horizontal en el área la cual no está determinada con exactitud, pero por el microclima de los bosques nubosos o de alta montaña que se encuentran por encima de los 2500 msnm, se estima que tienen un aporte significativo. La recarga hídrica determinada es moderada y no se considera que exista problemas de estabilidad el área para que esta agua potencialmente recargada, tenga inconvenientes en llegar hasta los acuíferos locales y regionales, si bien se observó en el área que existen corrientes efímeras e intermitentes que se activan frecuentemente con los aportes de agua de precipitación, lo cual genera una humedad durante la época lluviosa del año, (6 meses) esta no tiene ningún inconveniente de percolarse a estratos inferiores generando el proceso de la recarga. Este fenómeno descarta la posibilidad de flujos horizontales hipodérmicos de consideración que puedan afectar directamente las obras de la estructura vial que conforman la carretera CA-1 Occidente (es decir las cunetas, obras de drenaje y carpeta de rodadura), esto debido a que las densidades de los materiales de base y losas de la carretera deben de tener densidades por encima de las de los suelos circundantes y lo cual se debe de convertir en una barrera al flujo horizontal si lo hubiese en pequeña medida. Los arriates centrales son capaces de almacenar en buena medida agua de precipitación y liberarla posteriormente como se pudo observar en el campo, lo cual constituye un aporte de agua hacia la carretera. Al evaluar la posibilidad de concentración de escorrentía de precipitación sobre la carretera, se determino que las mayores láminas de escurrimiento determinadas por el método de la curva número, se presentan para los meses de junio y septiembre, coincidiendo con el análisis desarrollado en el climadiagrama del área, se pueden acumular hasta un total de 264 mm durante el mes de junio que es el de mayor precipitación. De esta manera se observan valores altos en los mese de mayo a octubre que es la época lluviosa. Tomando en cuenta el análisis de las máximas lluvias esperadas en periodos de 10 a 20 minutos, se puede observar que para valores entre 54 y 157 mm de precipitación máxima esperada en un solo evento. Se tiene la posibilidad de tener entre 35 y 134 mm de precipitación que se pueden acumular como lamina en periodos cortos de 10 o 20 minutos. Las pruebas de recuperación (Slug test) muestran principalmente que los materiales por debajo de la losa de concreto, son variables en sus características físicas que favorecen la permeabilidad, que hay movimiento del agua debajo de la losa de concreto, y como se pudo observar también hay movimiento por las juntas entre losas. Estos movimientos de agua muestran que hay una tasa alta de infiltración in situ, lo cual provoca el humedecimiento y sobresaturación en muchos puntos de la carretera, esta humedad en exceso es expuesta nuevamente por el peso de los vehículos que ejercen presión sobre la losa y causan que el agua salga nuevamente a la superficie, de igual forma las juntas de las losas sirven de microcanales para el flujo y concentran en puntos bajos esa humedad. Muchas veces ese flujo se ve interrumpido por procesos de sedimentación de materiales finos que se depositan diferencialmente por su granulometría dentro de las juntas. 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: En base a los estudios realizados se establecieron conclusiones generales que pudieran servir de base para primero establecer las causas del daño prematuro del pavimento y poder dar recomendaciones para recuperar los pavimentos dañados y en otros casos actuar de forma preventiva para evitar que los daños continúen. Las conclusiones principales a que se llegó:

• Región característica de eventos lluviosos intensos de corta duración • Alta humedad en la zona • Materiales debajo de losa y base

• Variables y favorecen permeabilidad • Capa vegetal, arcillas, limos, rellenos, roca


8

• Limos/arcillas contienen humedad más allá del límite líquido, favorecen baja capacidad soporte • Las losas sin sello, bajo estas condiciones, permiten que gran cantidad de agua se infiltre en el sistema del

pavimento • Movimiento de agua debajo de la losa de concreto y entre juntas de losas • Existe bombeo de finos y brote de agua entre juntas • Se observan sobrecargas de tráfico no controladas • Se evidenció la falta de estudios previos al diseño de la rehabilitación de la carretera

Recomendaciones para la entidad gubernamental a cargo de la carretera:

• El agua debe ser drenada superficial y sub superficialmente: • Construcción de drenajes canalizados más allá de la corona de los taludes • Construcción de sub-drenajes en arriates, bordes de pista y muros de contención • Colocación de disipadores de energía en salidas de agua • Facilitar salida de agua en bordillos y/o sustituirlos con cunetas de dimensiones apropiadas y reparar

las dañadas • Sellar juntas de losas en áreas establecidas • Construcción de terrazas para protección de taludes • Inyectar relleno fluido en áreas con escalonamiento para restablecer soporte de las losas • Demolición y colocación de nueva base y concreto en áreas con mayores daños. • Limpieza de cunetas y sistemas de drenaje existentes

Se entregó a las autoridades responsables de la conservación vial de Guatemala, COVIAL un presupuesto y planos de localización de cada uno de los trabajos de mantenimiento necesarios para la rehabilitación del tramo. 5. AGRADECIMIENTOS: Para la realización del estudio se contó con la participación de empresas y profesionales guatemaltecos y es importante agradecer sus aportes en cada uno de los campos de su especialización. Al Ing. Estuardo Herrera Rodas, Gerente Técnico del ICCG y coordinador del estudio. Al Dr. Carlos Rivera Pomés de la empresa HIDROINGENIEROS S.A. A la Ing. Wilma de León Marroquín especialista en Suelos de la empresa OIG. Al Ing. Eduardo Rojas de la empresa SONDECA. A la empresa GYFSA por los trabajos de Topografía. A la empresa constructora CONASA. 6. REFERENCIAS: [1] Rivera, Carlos. – Inventario de condiciones actuals y propuesta de medidas de mitigación hídrica en el tramo

carretero Tecpán (km89)- Los Encuentros (km 124). 2012, 150 p. [2] De León, Wilma.- Estudio de suelos e interpretación de los sondeos realizados en el tramo carretero Tecpán

(km89)- Los Encuentros ( km 124). 2012. 71 p.

evaluaciÓn de daÑos en carretera de concreto en …cp2015/link/papers/8257.pdf · evaluaciÓn de...

Documents