modelaciÓn fÍsica de la erosiÓn y bombeo de …
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MODELACIÓN FÍSICA DE LA EROSIÓN Y BOMBEO DE
PAVIMENTOS RÍGIDOS
JUAN CARLOS VALENCIA MADRID
PROYECTO DE GRADO DE INGENIERÍA CIVIL
ASESOR: DOCTOR BERNARDO CAICEDO
UNIVESIDAD DE LOS ANDES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
PREGRADO INGENIERÍA CIVIL
JUNIO 2012
BOGOTÁ D.C.
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AGRADECIMIENTOS
Doctor Bernardo Caicedo, gracias a su asesoría y colaboración este proyecto
pudo ser posible.
Julieth Monroy, quien colaboró en el montaje de este modelo físico.
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CONTENIDO
INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................. 4
1 MARCO TEÓRICO .................................................................................................................... 4
1.1 PAVIMENTOS EN CONCRETO HIDRÁULICO .............................................................. 4
1.2 FENÓMENO DE EROSIÓN Y BOMBEO .............................................................................. 5
2 MODELACIÓN FÍSICA ............................................................................................................. 6
2.1 DISEÑO DE LAS LOSAS ......................................................................................................... 6
2.2 DISEÑO DEL MONTAJE .......................................................................................................... 8
2.3 PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO ........................................................................................ 12
3 RESULTADOS ......................................................................................................................... 14
3.1 LOSA CON CAVIDAD DE 0.44 mm ..................................................................................... 14
3.2 LOSA CON CAVIDAD DE 0.53 mm ..................................................................................... 15
3.3 LOSA CON CAVIDAD DE 1.02 mm ..................................................................................... 16
4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................................... 18
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................... 19
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INTRODUCCIÓN
En este trabajo se busca simular pavimentos rígidos en las condiciones en que
sucede el fenómeno de erosión y bombeo. Utilizando un modelo físico que simule
este modelo, se busca medir la velocidad del agua que se tiene en las cavidades
existentes entre dos losas, y se quiere analizar como cambia esta velocidad al
variar las profundidades de estas cavidades.
Una vez determinada la velocidad del agua, es posible determinar la erosión y
bombeo en función de esta, utilizando resultados de estudios que ya fueron
realizados donde se determinó cual es la erosión y bombeo que se tiene para
diferentes velocidades del agua.
1 MARCO TEÓRICO
1.1 PAVIMENTOS EN CONCRETO HIDRÁULICO
Estas estructuras de pavimento tienen una capa de concreto hidráulico que puede
estar opcionalmente cubierta con una capa delgada de material asfáltico. Esta
capa reposa sobre la capa de sub base, que puede estar constituida por
materiales tratados con ligantes hidráulicos, en concreto hidráulico o en material
no tratado. La losa puede también ser colocada directamente sobre la sub rasante.
Las losas de concreto pueden construirse con refuerzo longitudinal continuo o
discontinuo, con o sin pasadores. Los esfuerzos debidos al tráfico son más
importantes cuando las cargas se colocan cerca de las juntas trasversales, en las
esquinas o en los bordes, y resultado de esto pueden producirse fallas como la de
erosión y bombeo (Instituto de Desarrollo Urbano y Universidad de los Andes).
A continuación se muestran diferentes estructuras de pavimento en concreto que
se utilizan en la ciudad de Bogotá.
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Figura 1. Diferentes estructuras de pavimentos en concreto (Instituto de Desarrollo
Urbano y Universidad de los Andes)
Los concretos hidráulicos se utilizan generalmente con módulos elásticos
cercanos a 35000 MPa y los concretos pobres que se utilizan tienen módulos
elásticos entre 24000 y 20000 MPa a los 28 días.
Para la sub base se utiliza concreto pobre principalmente con la función de
soportar la maquinaria pavimentadora. Se utilizan concretos con resistencia a la
flexión entre 1 y 1.7 Mpa con el fin de minimizar la reflexión de grietas de la sub
base sin juntas (Londoño, Cipriano; Instituto Colombiano de productores de
cemento, 2000).
1.2 FENÓMENO DE EROSIÓN Y BOMBEO
La compresión del suelo bajo las cargas del tráfico crea unos vacíos bajo el
pavimento que hacen que el agua se acumule entre las losas. Esta agua es
forzada a salir por efecto del tráfico y lleva consigo material fino, lo cual crea unas
cavidades que hacen que la losa trabaje como voladizo cerca de las juntas y
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bordes, y este fenómeno se conoce como bombeo. Debido a este proceso los
esfuerzos de flexión aumentan en estas zonas, lo cual posteriormente puede
ocasionar la ruptura de la losa. Este es un proceso que se nota solo después de
transcurridos varios años luego de su construcción.
El bombeo puede ocurrir en las juntas, fisuras o en los bordes, y es más
pronunciado inmediatamente después de la lluvia. Para que ocurra bombeo, el
material bajo la losa de concreto debe estar saturado, debe haber cargas pesadas
con frecuencia y el material debe ser erosionable, con lo cual se puede evidenciar
que la erosión es una de las principales causas para que ocurra el bombeo.
Cuando las cargas son livianas es muy difícil que este problema ocurra aunque el
material este saturado y sea erosionable (Delatte, 2008).
El número repetido de cargas de vehículos pesados pueden hacer que se de
erosión y bombeo de los materiales que se encuentran en diferentes partes de la
estructura, como en la sub rasante, la sub base y las bermas, lo cual ocasiona
que se produzcan cavidades en alguno de estos lugares y se produzca el
fenómeno mencionado anteriormente (Londoño, Cipriano; Instituto Colombiano de
productores de cemento, 2000).
2 MODELACIÓN FÍSICA
2.1 DISEÑO DE LAS LOSAS
Con el fin de medir la velocidad del agua que se tiene cuando ocurren los
fenómenos de erosión y bombeo en pavimentos rígidos de diferentes
profundidades de las cavidades, se diseñaron las losas del modelo utilizando
acrílico como material. Éste material fue escogido por ser transparente, y por lo
tanto permitir que sea posible medir la velocidad del agua utilizando una cámara.
La estructura de pavimento real que se quiere modelar son losas de concreto de 4
m de largo, 3.5 m de ancho y 20 cm de espesor diseñadas para ejes de
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Transmilenios de 10 toneladas. Normalmente se pueden presentar estos dos
fenómenos cuando se presentan en estas losas cavidades de 1mm de
profundidad, esta profundidad comienza a una distancia aproximada de 1 m
respecto a la junta, distancia a la cual la losa comienza a trabajar como una viga
en voladizo.
Figura 2. Losa real.
Para definir una escala para el modelo físico, fueron falladas vigas de acrílico de
15 cm de largo, 2 cm de ancho y 1 cm de espesor. Con estos ensayos se pudo
determinar el modulo de elasticidad del acrílico, y una vez obtenido este modulo
se hizo la siguiente comprobación de los desplazamientos en los extremos de
estas losas modeladas como vigas en voladizo a partir de la distancia en que
comienza la cavidad.
Comprobación realizada para una escala escogida de 1: 20
Utilizando esta escala se obtuvieron losas de acrílico de 20 cm de largo, 17.5 cm
de ancho y 8 mm de espesor. La carga que se va a aplicar es de 25 kg.
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Figura 3. Losa del modelo.
2.2 DISEÑO DEL MONTAJE
Se realizó el modelo físico de una estructura de pavimento rígido de dos capas de
concreto (concreto hidráulico y concreto pobre) que se encuentran apoyadas en la
sub rasante.
Figura 4. Estructura de pavimento modelada (Instituto de Desarrollo Urbano
y Universidad de los Andes).
Se fabricaron dos losas de acrílico con las dimensiones descritas anteriormente, a
estas losas se le hicieron 4 perforaciones para fijarlas a láminas de acrílico
inferiores utilizando tornillos y tuercas con diámetros de 3/8 de pulgada. Estas dos
losas de acrílico tienen un espaciamiento entre las juntas de ½ mm.
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Fotografía 1. Losas superiores.
Para modelar la losa inferior se fabricaron tres losas de acrílico de diferentes
profundidades de las cavidades, las cuales tienen el doble de largo de las losas
superiores. Las cavidades comienzan a 5 cm de las juntas de las losas superiores.
Las profundidades de las cavidades que se hicieron son de 0.44 mm, 0.53 mm y
1.02mm respectivamente.
Fotografía 2. Losa inferior.
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Fotografía 3. Socavamiento de la losa.
Para modelar la sub rasante, se fabricó una losa de acrílico donde van a ser
fijadas las losas anteriores. En esta losa se le hicieron otras 4 perforaciones para
para fijarla a la caja donde se va a encontrar la cámara utilizando tornillos de 6 mm
de diámetro.
Fotografía 4. Losa de soporte.
Y finalmente se fabricó una caja en acrílico de 5 cm de alto y con paredes de 1.5
cm de grosor. En esta caja va a estar la cámara con la cual se va a medir la
velocidad del agua, y también va a servir como soporte del montaje ya que la losa
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de soporte se fija a la caja y al marco del montaje mediante los anteriormente
mencionados tornillos de 6 mm de diámetro.
Fotografía 5. Caja de la cámara.
Todo el montaje anterior va a estar fijado a un marco que contiene una celda que
va a aplicar una carga de 25 kg con una frecuencia de 1 Hertz. La carga va a ser
aplicada a una distancia de 2.5 cm de la junta del modelo.
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Fotografía 6. Montaje del modelo.
2.3 PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO
Para fijar las losas superiores con las losas que tienen las cavidades y también
para evitar que el agua se salga por alguno de los bordes que rodean a la cavidad,
se utilizó silicona líquida. La silicona se dejó secar durante 24 horas para asegurar
una buena adherencia y evitar que el agua se salga. Por debajo de las cavidades
de las losas fueron dibujadas unas cuadriculas para facilitar las mediciones en los
videos que se tomaron con la cámara.
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Fotografía 7. Cuadricula para medición en los videos.
Con el montaje ya listo, se introducía agua a través de la junta utilizando una
jeringa hasta dejar la cavidad saturada, luego se inyectaba cerca de la junta una
gota de tinta negra para así poder observar con la cámara el desplazamiento del
agua que ocurre con la aplicación de la carga.
Para cada montaje se realizaron dos filmaciones de aproximadamente 3 minutos
utilizando la misma carga de 25 kg con una frecuencia de 1 Hertz.
Y finalmente para medir la velocidad del agua dentro de la cavidad, se compararon
varias imágenes de la filmación al transcurrir un segundo, y se midió el
desplazamiento de la tinta una vez transcurrido este tiempo utilizando en el
programa AutoCAD utilizando la correspondiente relación entre la escala del
programa y la escala del modelo. Para cada ensayo se realizaron 5 mediciones de
la velocidad del agua.
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Figura 5. Medición del desplazamiento del agua.
3 RESULTADOS
A continuación se muestran los resultados de las velocidades del agua que se
obtuvieron para las losas que tienen las 3 diferentes profundidades de las
cavidades.
3.1 LOSA CON CAVIDAD DE 0.44 mm
Velocidad del agua (mm/s)
medición 1 1.0389
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medición 2 1.0389
medición 3 0.5195
medición 4 0.7792
medición 5 0.5195
Promedio 0.7792
Tabla 1. Velocidad del agua en losa con cavidad de 0.44 mm en el modelo físico.
Velocidad del agua (mm/s)
medición 1 20.7792
medición 2 20.7792
medición 3 10.3896
medición 4 15.5844
medición 5 10.3896
Promedio 15.5844
Tabla 2. Velocidad del agua en losa con cavidad de 0.44 mm en el modelo real.
La cavidad de 0.44 mm del modelo a escala corresponde a una cavidad de 8.8
mm de profundidad en el modelo real.
3.2 LOSA CON CAVIDAD DE 0.53 mm
Velocidad del agua (mm/s)
medición 1 2.0779
medición 2 2.5974
medición 3 1.5584
medición 4 1.8181
medición 5 2.3376
Promedio 2.0779
Tabla 3. Velocidad del agua en losa con cavidad de 0.44 mm en el modelo físico.
Velocidad del agua (mm/s)
medición 1 41.5584
medición 2 51.9481
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medición 3 31.1688
medición 4 36.3636
medición 5 46.7532
Promedio 41.5584
Tabla 4. Velocidad del agua en losa con cavidad de 0.44 mm en el modelo real.
La cavidad de 0.53 mm del modelo a escala corresponde a una cavidad de 10.6
mm de profundidad en el modelo real.
3.3 LOSA CON CAVIDAD DE 1.02 mm
Velocidad del agua (mm/s)
medición 1 1.0389
medición 2 0.5194
medición 3 0.2597
medición 4 0.5194
medición 5 0.2597
Promedio 0.5194
Tabla 5. Velocidad del agua en losa con cavidad de 0.44 mm en el modelo físico.
Velocidad del agua (mm/s)
medición 1 20.7792
medición 2 10.3896
medición 3 5.1948
medición 4 10.3896
medición 5 5.1948
Promedio 10.3896
Tabla 6. Velocidad del agua en losa con cavidad de 0.44 mm en el modelo real.
La cavidad de 1.02 mm del modelo a escala corresponde a una cavidad de 20.4
mm de profundidad en el modelo real.
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Gráfica 1. Velocidad del agua en función de la profundidad de la cavidad en el
modelo a escala.
Gráfica 2. Velocidad del agua en función de la profundidad de la cavidad en el
modelo real.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Ve
loci
dad
de
l agu
a (m
m/s
)
profundidad de la cavidad (mm)
Modelo físico
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25
Ve
loci
dad
de
l agu
a (m
m/s
)
profundidad de la cavidad (mm)
Modelo real
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4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En general se puede concluir que el fenómeno de erosión y bombeo puede
causar que se produzca en estructuras de pavimentos hidráulicos ruptura
de las losas en las equinas y bordes, por lo cual se debe evitar que ocurra
este fenómeno utilizando materiales que sean menos erosionables y
proporcionando un buen drenaje a la estructura.
Por medio de los resultados obtenidos en estas pruebas, se pudo
determinar que la velocidad del agua comienza a aumentar gradualmente a
medida que la profundidad de la cavidad va aumentando hasta que la
cavidad llega a una profundidad crítica, a partir de la cual la velocidad del
agua disminuye rápidamente a medida que la profundidad de la cavidad
aumenta.
Para obtener mejores resultados se recomienda utilizar losas que tengan
profundidades de las cavidades con valores más cercanos a 1mm en el
modelo real. Con la escala utilizada en este proyecto esos valores debían
ser cercanos a 0.05 mm, lo cual fue muy difícil de conseguir. Para darle
solución a este problema se recomienda reducir la escala del modelo físico.
Para mejorar los resultados en la continuación de este proyecto, se
recomienda realizar más pruebas con cada uno de los montajes, ya que al
adherir y aislar las losas del montaje con la silicona, las condiciones de
saturación en que puede quedar el montaje al llenarlo de agua pueden
variar considerablemente, lo cual puede afectar considerablemente las
mediciones de la velocidad del agua.
Aunque el montaje que se diseñó requiere de algunas mejoras para la
continuación de este proyecto, los resultados obtenidos fueron
satisfactorios y cercanos a los esperados.
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BIBLIOGRAFÍA
Delatte, N. (2008). Concrete pavements, design, construction and performance. En
Water bleeding and pumping (págs. 59-60). London: Taylor y Francis.
Huang, Y. H. (2004). Pavement analysis and design. United States of America:
pearson Prentice Hall.
Instituto de Desarrollo Urbano y Universidad de los Andes. (s.f.). Manual de diseño
de pavimentos para Bogotá D.C. Bogotá.
Londoño, Cipriano; Instituto Colombiano de productores de cemento. (2000).
Diseño,construcción y mantenimiento de pavimentos de concreto. Medellín:
Editorial Piloto S.A.
Villemagne, M. (1996). Cement concrete pavements. Rotterdam.
