pro 2013 ramon oviedo bellott

Premio Graña y Montero Investigación Profesional

Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott 1

PREMIO GRAÑA Y MONTERO

Categoría:

INVESTIGACION PROFESIONAL P

Título:

“MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES

DE BAJA CAPACIDAD PORTANTE POR

MEDIO DE LA APLICACIÓN DE

CORRELACION DEFLECTOMETRICA”

Candidato:

ING. CIP RAMÓN OVIEDO BELLOTT

LIMA, MARZO DE 2013



PREMIO GRAÑA Y MONTERO

A LA INVESTIGACIÓN

EN INGENIERIA PERUANA

Categoría: INVESTIGACIÓN PROFESIONAL

Tema: “MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES DE BAJA CAPACIDAD PORTANTE POR MEDIO DE LA APLICACIÓN

DE CORRELACIÓN DEFLECTOMÉTRICA”

Í N D I C E

1. PROPÓSITO DE LA INVESTIGACIÓN

2. METODOLOGIA EMPLEADA EN LA INVESTIGACIÓN

3. TRABAJOS Y EXPERIENCIAS REALIZADAS

4. ANALISIS DE LOS RESULTADOS

5. CONCLUSIONES

6. POSIBILIDADES DE APLICACIÓN

ANEXO DE BIBLIOGRAFIA UTILIZADA

Lima, marzo de 2013



PREMIO GRAÑA Y MONTERO Categoría: INVESTIGACIÓN PROFESIONAL

Título: MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES DE BAJA CAPACIDAD PORTANTE POR MEDIO DE LA APLICACIÓN DE CORRELACIÓN DEFLECTOMÉTRICA

Candidato: Ing. Ramón Oviedo Bellott

1.- PROPOSITO DE LA INVESTIGACIÓN

La construcción de carreteras es una de las actividades de mayor incidencia e impacto en la realización de obras de infraestructura y ciertamente es uno de los rubros que contribuye de manera más eficaz y eficiente en el mejoramiento de las condiciones de vida de la comunidad a la cual se beneficia en particular y de la sociedad y el país en general.

Frecuentemente, en el intenso ajetreo de los trabajos que se acometen; los ingenieros disponemos de un tiempo muy corto o restringido para abocarnos a recopilar los logros alcanzados en la sistematización de ciertas operaciones clave; como son por ejemplo los trabajos de explanaciones en carreteras.

La motivación principal que mueve a este trabajo es simplemente la divulgación de avances muy consistentes y debidamente sustentados en razonamientos teóricos, a objeto de garantizar la buena capacidad portante del suelo de fundación de una carretera.

Durante la ejecución de trabajos de explanaciones en cortes y rellenos para terraplenes de carreteras; casi inevitablemente se presentan sectores donde la subrasante presenta deficiencias puntuales de capacidad portante; las cuales por la premura de los trabajos, deben ser subsanadas en tiempos relativamente cortos y perentorios.

Si bien, en los tiempos recientes para la elaboración de estudios se acude al concurso de equipos modernos tales como el Dynaflect, Road Rater y el deflectómetro de impacto (Falling Weight Deflectometer o FWD); estos resultan ciertamente onerosos o inapropiados para verificaciones cortas y expeditivas, allí donde se constata puntualmente un déficit de la capacidad portante de la fundación. En estos casos, tradicionalmente los métodos a los que se acudían para su diagnóstico certero eran basados en las pruebas conocidas de Valor de Soporte de California (más conocida como California Bearing Ratio o CBR) o Penetrómetro Dinámico de Cono (PDC).

La utilización cada vez más intensiva de un equipo relativamente más sencillo y económico como es la Viga Benkelman (VB); permite el planteamiento de métodos combinados, de tal modo que nos posibiliten otorgar celeridad en las respuestas técnicas durante las operaciones de construcción.

El propósito del presente trabajo es la presentación de los resultados relativos al dimensionamiento expedito de los mejoramientos de subrasante en base a la sistematización de resultados de CBR correlacionados con pruebas deflectométricas de VB de tal modo que nos permitan la calibración estructurada de espesores de mejoramiento de subrasante.



2.- METODOLOGIA EMPLEADA EN LA INVESTIGACION

La subrasante debe tener una capacidad de respuesta para garantizar la vida útil del pavimento, la cual debe ser conforme con los Estudios y las Especificaciones Técnicas del proyecto en lo referente a su grado de compactación y deflexión máxima admisible. Sin embargo, esto no se cumple en algunos casos aislados o puntuales, resultando inevitable efectuar su mejoramiento.

Comúnmente, es práctica habitual que las necesidades de mejoramiento de subrasantes sean objeto de verificación previa por parte del Supervisor de Obra que ‒ en consenso con el Contratista‒ define en forma semi-empírica los espesores y magnitudes del mejoramiento requerido.

Sin embargo, muy a menudo se suscita una controversia técnica sobre los espesores necesarios y suficientes de mejoramiento, ya que al ser realizada la auscultación del subsuelo, no existe un procedimiento explícito ni una adecuada fundamentación teórica ni técnica para acatar tal o cual procedimiento.

Este documento propone el análisis teórico-práctico para determinar los espesores adecuados de reemplazo del material no competente de la subrasante, que no reúne las condiciones del valor mínimo de CBR, para cumplir con el diseño estructural del pavimento.

En consecuencia, en la primera parte se exponen las bases teóricas de la metodología propuesta para la sistematización de los mejoramientos de capacidad portante de subrasantes en carreteras. Posteriormente se converge a un procedimiento practico para cumplir satisfactoriamente tal cometido.

En este trabajo, los ensayos de verificación de campo han sido realizados en base a la recopilación de experiencias efectuadas en el Laboratorio de Mecánica de Suelos, Pavimentos y Concretos del Concesionario Conirsa-IIRSA SUR del Corredor Vial Interoceánico Sur- Perú-Brasil Tramos 2 y 3 en el Campamento Mazuko, Departamento de Madre de Dios; el año 2008. El paquete estructural del pavimento en ejecución era el siguiente:



2.1.- Excavación para Explanaciones

El suelo de fundación de una carretera puede estar conformado por terreno natural en el caso de cortes o por un terraplén en el caso de rellenos. Para ambos casos, la cota geométrica superior se denomina subrasante.

Los trabajos de explanación para conformación de la subrasante, contemplan normalmente la realización de cortes del suelo en su estado natural y la conformación de rellenos para terraplenes con material de canteras, cuando las condiciones geotécnicas del préstamo lateral no son aptas para alcanzar la calidad requerida.

Las Normas EG-2013 (Resolución Directoral N° 03-2013-MTC/14) de reciente actualización, en la Sección 202 Excavación para Explanaciones; en el apartado “Requerimientos de Construcción”; numeral 202.08 Excavación, estipulan los siguientes rubros más relevantes:

“…aprobación, por parte del Supervisor, de los trabajos de topografía, desbroce, limpieza y demoliciones…

…coordinación con las obras de drenaje del Proyecto… …que se asegure la utilización de todos los materiales aptos y

necesarios para la construcción… (…). Al alcanzar el nivel de la subrasante en la excavación de material suelto, se deberá escarificar una profundidad mínima de 15 cm, conformar de acuerdo con las pendientes transversales especificadas y compactar, según las exigencias de compactación definidas en la Subsección 202.19.

Si los suelos encontrados a nivel de subrasante están constituidos por suelos inestables, el Supervisor ordenará las modificaciones que corresponden a las instrucciones del párrafo anterior, con el fin de asegurar la estabilidad de la subrasante. En este caso se aplicará lo especificado en la Sección 207.

Como se puede advertir, dada la gran diversidad de casos que se confrontan en la ejecución de las explanaciones, no resulta posible de estructurar ni definir acciones más detalladas en caso de suelos inestables a fin de garantizar la estabilidad de la subrasante. Es por ello que, implícitamente las Normas dejan al buen criterio ingenieril y la práctica comúnmente aceptada para la adopción del método más apropiado de estabilización del suelo de fundación.

Es precisamente a este rubro que se pretende aportar y contribuir con un esclarecimiento de carácter técnico, que tiene el propósito de llenar el vacío actualmente existente.

2.2.- Mejoramiento de suelos a nivel de Subrasante 2.2.1. Las estipulaciones que contienen las Normas EG-2013

Según la Subsección 207.01; el Mejoramiento de suelos consiste en “excavar el terreno por debajo de la subrasante o de fundación de terraplenes y su reemplazo parcial o total con materiales aprobados debidamente conformados, acomodados y compactados, de acuerdo con la presente especificación, conforme con las dimensiones, alineamientos y pendientes señalados en los planos del Proyecto y las instrucciones del Supervisor”.



La Subsección 207.04 añade: (…) “Los espesores de las capas a conformar en el mejoramiento deberán ser como máximo de 30 cm, exceptuando los 30 cm por debajo del nivel de la subrasante que será conformado en 2 capas de 15 cm. En lo que corresponda deberán ceñirse a lo especificado en las Subsecciones 205.07 y 205.08”

La Subsección 207.05, considera la siguiente clasificación:

“a. Mejoramiento involucrando el suelo existente

En el caso el Proyecto prevean el mejoramiento involucrando los materiales del suelo existente, o el Supervisor lo considere conveniente, pueden presentarse dos situaciones, sea mediante la estabilización mecánica o combinación de suelos, estos se disgregarán en las zonas y con la profundidad establecida en los planos, empleando procedimientos aprobados por el Supervisor. (…) El suelo de aporte para el mejoramiento se aplicará en los sitios indicados en los documentos del Proyecto o definidos por el Supervisor, en cantidad tal, que se garantice que la mezcla con el suelo existente cumpla las exigencias de la Subsección 207.02, en el espesor señalado en el Proyecto o aprobado por el Supervisor. Los materiales disgregados y los de adición, se humedecerán o airearán hasta alcanzar la humedad apropiada de compactación y, previa la eliminación de partículas mayores de 7.5 cm, se compactarán hasta obtener los niveles de densidad establecidos para la corona del terraplén en la Subsección 205.12 (c) (1).(…)

b. Mejoramiento empleando únicamente material adicionado Cuando los documentos del proyecto prevean la construcción de la subrasante mejorada con aporte solamente con material adicionado, pueden presentarse dos situaciones, sea que la capa se construya directamente sobre el suelo natural existente o que éste debe ser excavado previamente en el espesor indicado en los documentos del Proyecto y reemplazado por el material de adición. En el primer caso, el suelo existente se deberá escarificar, conformar y compactar a la densidad especificada para cuerpos de terraplén, en una profundidad de 15 cm. (…). Además se establece que: “En el caso de que el mejoramiento con material totalmente adicionado implique la remoción total del suelo existente, ésta se efectuará en el espesor previsto en los planos o dispuesto por la Supervisión en acuerdo con el procedimiento descrito en la Subsección 202.08. (…)” Una innovación declarativa que introduce con relación a las EG-2000 es que considera también los mejoramientos adicionando únicamente “material manufacturado” según las Secciones 404, 405, 406, 407, 408 (aún inexistentes) así como el mejoramiento de subrasante con geotextiles.

La nueva normativa actualizada en las EG-2013 resulta sustantivamente más ordenada y mejorada en relación a las pasadas Normas EG-2000. Sin embargo, en el tema analizado y en base a la experiencia recogida, podría nuevamente ocasionar problemas de aplicación que en la mayor parte de los casos derivan en controversias técnicas entre las partes involucradas en el Proyecto; al no existir un procedimiento específicamente estipulado.



2.2.2. Los parámetros determinantes en la respuesta de la Subrasante

El comportamiento de una subrasante generalmente depende de tres características básicas, las cuales se hallan interrelacionadas entre sí, siendo éstas las siguientes:

a) La capacidad portante

La subrasante debe tener la capacidad de soportar las cargas transmitidas por la estructura del pavimento. La capacidad de carga es función del tipo de suelo, del grado de compactación y de su contenido de humedad.

El propósito del pavimento es proporcionar una superficie confortable al tránsito de vehículos. Consecuentemente, es necesario que la subrasante sea capaz de soportar un número grande de repeticiones de carga sin presentar deformaciones.

b) Contenido de humedad

El diferente grado de humedad de la subrasante afecta en forma determinante su capacidad de carga, pudiendo además llegar a provocar inclusive contracciones y/o expansiones indeseables, especialmente en el caso de la presencia de suelos finos. El contenido de humedad es afectado principalmente por las condiciones de drenaje, elevación del nivel freático, infiltración etc. Una subrasante con un elevado contenido de humedad sufrirá deformaciones prematuras ante el paso de las cargas de solicitación de los vehículos.

c) Contracción y/o expansión

Algunos suelos se contraen o se expanden, dependiendo de su grado de plasticidad y su contenido de humedad. Cualquier pavimento construido sobre estos suelos, si no se adoptan las medidas pertinentes, tenderán a deformarse y/o deteriorarse prematuramente.

Para evitar que las deflexiones admisibles en la subrasante excedan los límites establecidos, debe cumplirse que la presión transmitida por la carga se mantenga por debajo del valor de la carga máxima transmitida al suelo, para lo cual deberá tomarse en cuenta el tránsito de diseño a través del número de repeticiones de carga, las deflexiones máximas esperadas y el CBR del material con el que se ejecutará el mejoramiento.

2.2.3. Metodología utilizada en la Investigación

El método utilizado que se describe en este trabajo, está orientado a proporcionar una correlación práctica para el mejoramiento cualitativo de subrasantes en la construcción de pavimentos.

Primeramente, se han recopilado casi en forma irrestricta todas las investigaciones realizadas y las expresiones consecuentes que establecen la correlación más plausible entre los diferentes valores de CBR y su Módulo Resiliente “MR”.



Seguidamente se ha realizado la calibración de las deflexiones encontradas con VB en registros previos y posteriores a mejoramientos realizados con dos espesores típicos: 40 y 70 cm. Esta calibración ha permitido encontrar los factores de ajuste entre las deflexiones teóricas esperadas a través del modelo de Ahlvin y Ulery y las deflexiones efectivamente registradas en los ensayos deflectométricos con VB.

Posteriormente, se ha realizado un análisis estadístico para establecer la correlación de los espesores de mejoramiento de subrasante con las deflexiones y los CBR’s correspondientes a la calidad del suelo de fundación en un rango válido de 3 al 10%.

En resumen, para mejorar la capacidad estructural de una subrasante que está llegando al límite de su estabilidad aceptable, conceptualmente se recurre a medir su desplazamiento vertical (deflexión) bajo una carga estándar predeterminada que es la VB. Esta medición se hace conociendo la calidad y los espesores del material de mejoramiento. Con estas deflexiones se infieren los valores de los módulos resilientes de esos materiales, lo cual nos conduce a determinar en forma precisa los espesores necesarios para no rebasar la deflexión máxima permisible.

El procedimiento en sí, consiste en determinar una adecuada combinación de espesores de capas y calidad de materiales del sistema suelo natural-subrasante (E,µ y h) para que los esfuerzos y deformaciones causados por las solicitaciones a que se someterá su estructura, permanezcan dentro de los límites deflectométricos admisibles establecidos previamente.

2.2.4. Planteamiento teórico de base

a) Distribución de presiones hasta la subrasante

Como una primera aproximación para establecer la distribución de esfuerzos, se aplicó el modelo propuesto por el matemático francés Joseph V. Boussinesq en 1885, que determinó el estado de esfuerzos en una masa de suelo a cualquier profundidad. El citado trabajo se basó en una carga concentrada aplicada en un semiespacio lineal, idealizado como elástico, isótropo y homogéneo.

Esta solución fue por mucho tiempo la única disponible, hasta que en 1945 Donald M. Burmister propuso una teoría que se podía aplicar a estructuras de pavimentos, basada en la teoría de Boussinesq pero que tenía en cuenta los estratos y las propiedades mecánicas de los materiales que conforman la masa de suelo, para calcular el estado de esfuerzos de ésta a cualquier profundidad.

Posteriormente, la generalización del modelo a estructuras multicapa con diferentes condiciones de frontera fue propuesta por Westergaard, Palmer y Barber, Odemark, Yoder y otros.

Los espesores y las profundidades de mejoramiento de las subrasantes ameritan naturalmente un detenido análisis técnico. La profundidad de cada mejoramiento debe determinarse en base a un modelo del esfuerzo–deformación, siendo necesario en cada caso determinar la presión transmitida y el esfuerzo resultante en la subrasante.



En el gráfico siguiente se presenta la variación de la presión debajo de una rueda doble cargada con el eje equivalente de 8.2 tn. aplicando la teoría de Boussinesq.La modelación de la solución inicial basada en esa teoría se muestra en la figura siguiente:

Los espesores del pavimento de TSB eran: capa de rodadura = 2,0 cm.; capa base = 20 cm. y capa sub-base = 22 cm. lo que suma un espesor total de la estructura del pavimento que alcanzaba los 44 cm.

En el gráfico anterior se advierte que las presiones transmitidas desde la superficie (σ0=5,64 kg/cm2), se disipan muy rápidamente. A una profundidad de 44 cm. se tiene una presión media en la subrasante de σ = 0,75 kg./cm2. Esto sería estrictamente válido para una carga estática. Para un vehículo con movimiento dinámico, ciertamente que esta presión será menor. Por tanto, ello significa que la solicitación de carga será disminuida

GRAFICO DE DISTRIBUCION DE PRESIONES

(Teoría de Boussinesq)

pi = 5.6 Kg/cm2

r = 15 cm (radio del área cargada)

D sv = p1 [1-(1/(1+(r/z)2))

3/2]

(presión de contacto)

sz (Kg/cm2)

-200

-175

-150

-125

-100

-75

-50

-25

0

0.0

0

0.5

0

1.0

0

1.5

0

2.0

0

2.5

0

3.0

0

3.5

0

4.0

0

4.5

0

5.0

0

5.5

0

6.0

0

Pro

fun

did

ad

(C

m)



a esta profundidad un valor referencial inferior al 12% de la presión de carga aplicada en la superficie del pavimento. b) Correlaciones entre el CBR y el Modulo Resiliente

La calidad de las capas que constituyen el pavimento son definidas principalmente a través de los siguientes parámetros: el espesor “h”, el Módulo Resiliente “MR” y el Coeficiente de Poisson “µ”.

El Modulo Resiliente (MR) es un parámetro análogo al Módulo de Elasticidad (E) ya que ambos parámetros tienen la misma definición en términos de la Teoría de la Elasticidad. La diferencia conceptual estriba en que el MR se determina en un ensayo con carga dinámica repetida, que simula los efectos del tráfico en el interior de un pavimento. El módulo resiliente conceptualmente es el comportamiento elástico final del suelo.

La norma AASHTO T-274 estandariza en laboratorio el ensayo del módulo resiliente. La forma más factible en obra sería a través del ensayo de compresión edométrica, ensayo triaxial dinámico y/o ensayo de placa de carga. En condiciones reales de campo, resulta, de todos modos muy complicado y anti-económico obtener confiablemente estos valores.

Es por ello que los módulos resilientes de las diferentes capas que componen el pavimento se estiman por medio de correlaciones indirectas, en su mayor parte a través del ensayo CBR. Como es conocido, este ensayo mide la capacidad de soporte de un suelo para condiciones de suelo estándares y constantes, independientemente del tipo material o de la posición de éste en la conformación de la estructura del pavimento.

Por lo tanto, se ha recopilado en toda la bibliografía técnica disponible, la gran mayoría de las correlaciones vigentes para el efecto. Prácticamente la totalidad de las expresiones se basan en la conocida correlación establecida por Heukelom, según la cual:

E0 = k CBR (ecuación 1)

Las expresiones mostradas en la Tabla Nº 1 de la página subsiguiente, ofrecen una amplia gama de resultados, de los cuales los más plausibles y certeros resultaron siendo las ecuaciones de la AASHTO tanto para suelos finos como para suelos granulares.

Ellos muestran además una buena correlación con los valores adoptados por la AASHTO para la equivalencia con los coeficientes estructurales, los valores de CBR (Illinois) y los valores “R” del Instituto del Asfalto.

Haciendo inferencia de estas aplicaciones a la teoría elástica, se deduce que es posible aplicar a los ensayos de CBR utilizando los resultados de la prueba de carga, asociados a asentamientos característicos de 0.1 pulgada. Para ello, se utiliza la solución que ofrece la teoría elástica para el cálculo del asentamiento que ocurre cuando se tiene una superficie circular rígida cargada sobre un medio semi-infinito.



La fórmula es la siguiente:

Δ = π/2 (1-µ2) pa/E (ecuación 2) Donde:

Δ= Asentamiento µ = Relación de Poisson p = Presión aplicada a = Radio del área cargada E =Módulo de elasticidad

Considerando un asentamiento característico de 0.1 pulgada; un valor de µ=0.40; radio equivalente a un área circular cargada de 3 pulg2 y la presión aplicada en función del valor CBR, se obtienen los siguientes valores:

E = 139.7CBR E en libra/pulg2 E = 9.83CBR E en kg/cm2

Entonces, es posible obtener valores de módulos elásticos E a partir del valor CBR asumiendo un comportamiento del medio como elástico, uniforme e isotrópico.

c) CBR de la Subrasante que requiere mejoramiento

El CBR es un ensayo normalizado (ASTM D-1883) y corresponde a un parámetro indicativo de la capacidad de soporte de un suelo.

El CBR es la relación (expresada en porcentaje) entre la resistencia a la penetración requerida para que un pistón de 3 pulg2 de área penetre 0.1 pulgadas dentro de un suelo, entre 1000 psi. que es la resistencia a la penetración de una muestra patrón. La muestra patrón es una piedra chancada.

Según las Especificaciones Técnicas, la compactación debe efectuarse a una “humedad óptima”, lo cual en la mayor parte de los casos en esa zona no era posible de efectuar con el material de la propia subrasante, en razón a que los suelos de esa región amazónica se hallaban con un contenido de humedad siempre mayor al óptimo. De ahí que, algunos suelos aun teniendo un CBR superior al de diseño, requieran ser mejorados debido a que por su baja densidad (producto de su elevado contenido de humedad), su capacidad de soporte “in situ” resultaba siendo muy baja.

Por tanto, con la finalidad de determinar la capacidad de soporte de los suelos que requerían mejoramiento, se efectuaron ensayos de CBR, para determinar además su humedad óptima. Los resultados obtenidos confirmaron que en todos los casos la humedad natural era muy superior a la humedad óptima.

El comportamiento de la subrasante es función de la humedad y densidad, asociada a las condiciones ambientales del sitio. En suelos de baja capacidad portante donde los valores de humedad alcanzan la condición saturada y los valores de densidad de campo están muy por debajo de la densidad de compactación, los valores de los módulos elásticos realmente son muy bajos. Se estudiaron las siguientes correlaciones para determinar en base a los valores de CBR los módulos resilientes correspondientes:



Tabla Nº 1 : CORRELACIONES ENTRE CBR versus MODULO RESILIENTE

(Resultados expresados en psi y kg/cm2)

CBR Mr (1)psi Mr kg/cm2 Mr (2) psi USACE psi CSIR psi TRRL psi Mr (3) Mr (4) Mr (5) psi kgr/cm2 Mr (6) Coef."a" Mr (psi)

100

20,000

40

12833 0,120 17,000

30

9625 0,110 15,000

20 35000 220257 60002 51102 39000 13,201 928 6418 0,090 12,500

19 33250 209244 57002 48547 37050 12,979 912 6097

18 31500 198232 54002 45992 35100 12,745 896 5776

17 29750 187219 51002 43437 33150 12,497 879 5455

16 28000 176206 48002 40882 31200 12,235 860 5135

15 26250 165193 45002 38327 29250 11,956 841 4814 0,089 11,900

14 24500 154180 42002 35772 27300 11,658 820 4493

13 22750 143167 39002 33217 25350 11,337 797 4172

12 21000 132154 36002 30662 30681 23400 10,991 773 3852 0,084 9,000

11 19250 121142 33002 28107 28126 21450 10,614 746

10 15000 1034 17500 110129 30002 25552 25572 19500

9 13500 931 15750 59694 27002 22997 23017 17550

8 12000 827 14000 54285 24002 20442 20463 15600 7 10500 724 12250 48876 21002 17887 17909 13650

6 9000 621 10500 43467 18002 15332 15354

0,071 9,000

5 7500 517 8750 38058 15002 12777 12800

0,050 7,000

4 6000 414 7000 32649 12002 10222 10245 3 4500 310 5250 27240 9002 7667 7691

0,050 5,000

2 3000 207 3500 21831 6002 5112 5136

Mr(1) = FORMULA Mr = 1500*CBR (psi) AASHTO para suelos finos (CBR < 10) Mr(2) = FORMULA Mr = 1750*CBR (Mpa) Heukelomm y Foster 1960 Para N = 1,9*10^6 ejes equivalentes

USACE FORMULA Mr = 5409*CBR*0,711 (psi) US Cuerpo de Ingenieros (USACE) Green y Hall 1975

FORMULA Mr = 3000*CBR^0,65 (psi) Consejo Sur Africano de Investigaciones Científicas e industrialesCSIR

TRRL = FORMULA Mr = 2555*CBR^0,64 (psi) Laboratorio de Investigación y Transporte de Carreteras Mr(3) = FORMULA Mr = 176*CBR^0,64 (Mpa) 2<CBR<12

Mr(4) = FORMULA Mr = 3000*CBR*0,65 (Mpa) 7,2<CBR<20 Mr(5) = FORMULA Mr = 4326*lnCBR+241 (Mpa) AASHTO para suelos granulares

Mr(6) = FORMULA Mr = 221*CBR*0,55 (Mpa) 12<CBR<80



Por lo tanto, la determinación de la capacidad portante de los suelos subyacentes se efectuó en base a los resultados de los numerosos ensayos CBR realizados; pudiendo ratificarse que el problema radicaba en que la matriz del suelo subyacente (en su mayor parte conformado por limos y arcillas) se encontraba con un elevado contenido de humedad y con bajos índices de consistencia. Los valores de CBR “in situ” de la matriz arcillosa se determinaron en base a la calificación cualitativa y cuantitativa expresada en la siguiente tabla:

Tabla N° 2 CRITERIOS CUANTITATIVOS Y CUALITATIVOS PARA

ESTIMAR LA RESISTENCIA DELOS SUELOS PLASTICOS

Limites del Resistencia a la C.B.R PDC N DESCRIPCION

Consistencia Compresion no

confinada ( kg/cm2) (mm/Golpe)

Se extruye fuera de los

dedos cuando se presiona

Moldeable con una

ligera presion de los dedos

Moldeable con una

fuerte presion de los dedos

El pulgar lo raya facilmente,

pero lo penetra con gran fuerza

Medianamente La uña del dedo pulgar

Dura lo raya con facilidad

La uña del dedo pulgar

lo raya con dificultad

wlc > Ic > wlp 2 a 4 3.2 - 6.4 46 - 33 15 - 30.

CUALITATIVAIc (%) (Golpes/Pie)

Fase liquida del suelo

Muy blanda 0,25 > Ic > 0 < 0.25 < 2< 0.4

Liquida Ic <= 0 0

Blanda 2 - 4.0.4 - 0.80.25 a 0.500,50 > Ic > 0,25

Suave

4 - 8. > 660.8 - 1.60.50 a 1.0

66 - 461.6 - 3.2 1.0 a 2.01,0 > Ic > 0,75

Ic >= wlcDura > 3033 - 23> 6.4 > 4

0,75 > Ic > 0,50Deformable

8 - 15.

Obsérvese que para índices de consistencia menores de 1.0, el valor máximo del C.B.R. “in situ” era de 3.2 %, lo cual ratifica la necesidad de ejecutar los mejoramientos de subrasantes, toda vez que los índices de consistencia determinados en los ensayos son menores de 1.0.

3.- TRABAJOS Y EXPERIENCIAS REALIZADAS

3.1.- ENSAYOS DEFLECTOMETRICOSCON LA VIGA BENKELMAN

3.1.1.- Determinación según la teoría de Ahlvin y Ulery

A objeto de determinar el umbral a partir del cual resultan absolutamente necesarios realizar mejoramientos de la capacidad portante de la subrasante; se realizaron ensayos deflectométricos con Viga Benkelman (VB).

Para la determinación teórica de la magnitud de las deflexiones, se utilizaron las fórmulas desarrolladas por los investigadores Ahlvin y Ulery (ver el Anexo Nº 1) para determinar las deflexiones verticales bajo un área circular cargada, que en este caso viene a ser el área proyectada de una llanta de camión con 80 psi de presión (equivalente a 5,64 kg/cm2), que corresponde a la presión ejercida por un eje normal equivalente.

La determinación de la magnitud de las deflexiones en la subrasante, como resultado de la solicitación de cargas aplicadas por un eje equivalente de 8.2 toneladas, se efectuó a través de ensayos deflectométricos con la aplicación de la VB directamente sobre la subrasante para el registro de las deflexiones resultantes.



Según los autores aludidos; la fórmula general de la deflexión vertical es la siguiente: Δ = p ( 1 + μ) a [ z/a * A + (1 – μ) H ] (ecuación 3) E2 Donde: Aplicando los valores establecidos a la ecuación 3; para profundidad z=0 resultan A=1.00 y H = 2.00, por tanto se tiene lo siguiente:

Tabla N° 3 DETERMINACION TEORICA DE DEFLEXIONES SEGUN

LA FORMULA PROPUESTA POR AHLVIN Y ULERY

CBR p(kg/cm2) E1 (psi) Poisson (µ) a(cm.) Δ (1/100 mm)

9 5.64 13,500 0.45 10.79 102

8 5.64 12,000 0.45 10.79 115

7 5.64 10,500 0.45 10.79 131

6 5.64 9,000 0.45 10.79 153

5 5.64 7,500 0.45 10.79 184

4 5.64 6,000 0.45 10.79 230

3 5.64 4,500 0.45 10.79 307

Se puede evidenciar que las deflexiones del suelo natural de fundación son del orden de 102 1/100mm. para un CBR de 9 % y estas deflexiones se van incrementando a medida que el CBR va disminuyendo.

3.1.2.- Calibración del modelo teórico con los mejoramientos realizados

Las deflexiones máximas admisibles en cada capa del pavimento fueron determinadas mediante la aplicación del Modelo “Ecoroute” desarrollada en la Ecole nationale des ponts et chaussées” de París-Francia.

Las deflexiones máximas admisibles para cumplir con las exigencias del tráfico proyectado eran las siguientes:

Deflexión sobre la capa base = 71 1/100 mm. Deflexión sobre la capa sub-base = 84 1/100 mm. Sobre la capa subrasante mejorada = 92 1/100 mm.

Por tanto, resultaba necesario proceder a calibrar el modelo teórico del numeral anterior, aplicando la teoría de Burmister, desarrollada para esfuerzos en doble capa.

Δ = Deflexión:(10^-2 mm). p = Presión de inflado de la llanta (5.64kg/cm2). a = Radio de contacto (10.79 cm.)

μ = Módulo de Poisson. 0.45 (adimensional). E2= Módulo resiliente del terreno de fundación. z = Profundidad de evaluación de los esfuerzos de compresión.



A continuación se muestra el ábaco de curvas de Burmister para la determinación de las deflexiones resultantes en dos capas con módulos resilientes diferentes (E1/E2):

La calibración fue realizada aplicando los resultados de la formula teórica a las deflexiones realmente registradas para espesores entre 40 y 70 cm., por ser las más representativas de los mejoramientos realizados. Según Burmister; la fórmula de la deflexión vertical es la siguiente:

Δ = 1.5 * [(p* a)/E2]*F2 (ecuación 4) Donde:

Para la determinación de F2 se utilizaron los módulos resilientes del material de mejoramiento vs. el material del suelo natural de fundación E2. Por tanto, para la resolución de la ecuación 4 se consideró lo siguiente: E1 = Modulo resiliente del material de mejoramiento = 17.000 psi. E2/E1 = Relación adimensional de módulos resilientes. z = Profundidad de evaluación de los esfuerzos de compresión.

Tabla N° 4 CALIBRACION CON VB DE LOS PARAMETROS PARA MEJORAMIENTOS DE 40 Y 70 CM. EN SUBRASANTES

CBRmejoram. Mr

(psi) E1

(Kg/cm2) E2/E1

z (cm)

z/a F2 "k" de

ajuste

40% 17,000 1,195 0.434 40 3.71 0.49 1.40

40% 17,000 1,195 0.390 70 6.49 0.47 1.31

Δ = Deflexión: (10^-2 mm). p = Presión de inflado de la llanta (5.64 kg/cm2). a = Radio de contacto (10.79 cm).

E2 = Módulo resiliente del terreno natural de fundación. F2 = Factor resultante de los módulos resilientes y z/a



3.1.3.- Sistematización de las Investigaciones de Campo realizadas a) Marco conceptual En los trabajos de evaluación de la capacidad portante de subrasantes, tradicionalmente se ha recurrido mediante la auscultación con calicatas, a la toma de muestras para su ensayo en laboratorio y al análisis de cada uno de sus estratos componentes por separado, para establecer las características estructurales del mismo. Esta metodología es cara, lenta, disturba las propiedades singenéticas del suelo y es por ello que se la considera como "destructiva".

Es por ello que se ha optado reemplazarla por deflectometría con VB ya que la alternativa aplicada es "no destructiva" y se basa en los relevamientos deflectométricos de campo y la posterior interpretación de las deflexiones registradas en gabinete. Las deflexiones reflejan una respuesta integral del suelo bajo un eje estándar de 80 kN. Su medición es simple, rápida, económica y sobre todo es "no destructiva", es decir, no se altera el equilibrio ni la integridad del sistema.

La metodología no destructiva se fundamenta en que la forma y dimensión de las curvas de deflexiones encierran una valiosa información acerca de las características estructurales de la subrasante. Para interpretar los datos se compara con un modelo matemático como por ejemplo el modelo de Hogg-Burmister en la evaluación estructural de pavimentos. De hecho, este modelo es también una correlación establecida entre las propiedades medidas y los parámetros elásticos de un sistema suelo-pavimento.

La metodología de evaluación estructural, por métodos no destructivos, se puede considerar como un proceso de control invertido ya que utiliza la respuesta del sistema (deflexiones) para definir sus características estructurales, lo cual es opuesto a un proceso normal de diseño.

Otra característica de la metodología de evaluación no destructiva con VB es que, por constituir la "muestra de ensayo" el suelo mismo, éste ofrece el fiel reflejo de la compleja interacción entre sus componentes.

En consecuencia, una vez realizados los relevamientos deflectométricos con VB, pueden usarse como datos de insumo para establecer las necesidades de refuerzo de la subrasante.

b) Tratamiento estadístico de los mejoramientos realizados Con la finalidad de caracterizar los parámetros físico-mecánicos de los suelos donde se optó por una subrasante mejorada, se tabularon los datos más representativos de calidad de las subrasantes que fueron objeto de mejoramiento en espesores de 0.40 y 0.70 m.

En las tablas 5 y 6 de las páginas siguientes se muestran los datos correspondientes al tramo de prueba de 560 metros entre las progresivas km. 324+570 al km. 325+130 del Tramo 3. En estas tablas se registran los datos de los ensayos deflectométricos realizados antes del mejoramiento, y que luego se confrontan con los ensayos deflectométricos efectuados después de haber realizado los mejoramientos aludidos.



Tabla Nº 5 ENSAYOS DEFLECTOMETRICOS ANTES DE MEJORAR LA SUBRASANTE

Datos de relevamientos de campo: CM. Parámetros de Evaluación : GFT

Nº Progr.

Lado Deflexiones (0.01 mm.) R R5 L0 E0 CBR RADIO DE

h = mejorada

(km) D0 D25 D50 D75 D100 (cm) (cm) (cm) (kg/cm2) (%) CURVATURA cm

1 324+570 LD 288 168 56 20 4

30.4 30.4 14.8 156.8 1.6 26 0.70

2 324+580 LD 828 428 60 24 12

26.0 26.0 11.7 58.7 0.6 8 0.70

3 324+590 LD 556 296 244 208 176

33.7 33.7 17.0 75.9 0.8 12 0.70

1 324+740 LD 3156 1508 1032 628 272

23.9 23.9 10.2 15.5 0.2 2 0.70

2 324+760 LD 2520 1240 852 568 412

24.6 24.6 10.8 19.5 0.2 2 0.70

3 324+780 LD 280 140 40 24 12

25.0 25.0 11.1 174.8 1.7 22 0.70

4 324+800 LD 296 196 60 20 8

33.8 33.8 17.1 142.0 1.4 31 0.70

1 324+750 LD 516 204 60 16 4

20.7 20.7 7.0 70.6 0.7 10 0.70

2 324+770 LD 852 452 44 24 16

26.6 26.6 12.2 56.6 0.6 8 0.70

3 324+790 LD 332 152 28 8 4

23.1 23.1 9.5 145.8 1.5 17 0.70

1 324+950 LD 588 260 204 140 92

22.4 22.4 9.0 80.6 0.8 10 0.70

2 324+970 LD 272 132 108 92 52

24.3 24.3 10.5 180.2 1.8 22 0.70

3 324+990 LD 464 224 124 80 44

24.2 24.2 10.4 105.6 1.1 13 0.70

4 325+010 LD 184 104 20 8 4

28.6 28.6 13.6 253.9 2.5 39 0.50

5 325+030 LD 140 80 56 48 24

35.4 35.4 18.1 290.4 2.9 52 0.50

1 325+040 LD 328 148 104 72 32

22.8 22.8 9.3 146.5 1.5 17 0.40

2 325+060 LD 404 168 132 80 24

21.4 21.4 8.0 108.5 1.1 13 0.40

3 325+080 LD 280 164 140 96 36

50.0 50.0 27.4 109.4 1.1 27 0.40

4 325+100 LD 314 138 78 54 22

22.3 22.3 8.9 150.2 1.5 18 0.40

5 325+120 LD 2708 1152 848 668 360

21.8 21.8 8.4 16.8 0.2 2 0.70

6 325+140 LD 632 332 300 252 168

37.5 37.5 19.5 61.6 0.6 10 0.70

1 324+950 LD 1832 1172 604 132 32

36.3 36.3 18.7 21.8 0.2 5 0.70

2 324+970 LD 1636 1112 876 612 448

55.5 55.5 30.9 17.1 0.2 6 0.70

3 324+990 LD 500 228 120 40 8

23.0 23.0 9.5 96.6 1.0 11 0.70

4 325+010 LD 2324 1124 788 460 48

24.2 24.2 10.5 21.1 0.2 3 0.70

5 325+030 LD 2096 816 396 268 208

20.5 20.5 6.4 13.2 0.1 2 0.70

6 325+050 LD 768 448 308 272 200

36.4 36.4 18.8 51.8 0.5 10 0.70

7 325+070 LD 428 168 64 28 20

20.6 20.6 6.8 79.6 0.8 12 0.70

8 325+090 LD 436 192 84 60 36

22.3 22.3 8.9 108.4 1.1 13 0.70

9 325+110 LD 1120 528 380 276 104

23.6 23.6 10.0 43.6 0.4 5 0.70

10 325+130 LD 1200 480 388 300 64

20.8 20.8 7.3 32.5 0.3 4 0.70

0

1000

2000

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

VB

CBR's (%)

CBR'S vs D0

Series1

0.30

0.80

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

h (

Me

jora

mie

nto

) m

.

CBR's (%)

ALTURA DE MEJORAMIENTO

Series1



Tabla Nº 6

ENSAYOS DEFLECTOMETRICOS EN TRAMO DE SUBRASANTE MEJORADA

Datos de relevamientos de campo: CM. Parametros de Evaluación : Lab. GFT

Nº Progr.

Lado Deflexiones (0.01 mm.) R R5 L0 E0 CBR RADIO DE

h = mejorada

(km) D0 D25 D50 D75 D100 (cm) (cm) (cm) (kg/cm2) (%) CURVATURA cm

1 324+570 Der 48 36 28 20 12 62.5 62.5 35.3 522.8 5.2 260 0.70

2 324+580 Der 56 48 34 28 24 75.0 75.0 43.1 378.7 3.8 391 0.70

3 324+590 Der 72 60 46 36 28 75.0 75.0 43.1 294.5 2.9 260 0.70

1 324+740 Der 108 76 36 28 20 38.8 38.8 20.3 351.3 3.5 98 0.70

2 324+760 Der 148 108 80 40 20 53.8 53.8 29.8 194.3 1.9 78 0.70

3 324+780 Der 84 64 32 16 8 42.2 42.2 22.5 421.6 4.2 156 0.70

4 324+800 Der 60 40 24 12 10 40.6 40.6 21.5 608.8 6.1 156 0.70

1 324+740 Izq 80 60 48 36 28 66.7 66.7 37.9 295.7 3.0 156 0.70

2 324+760 Izq 84 68 32 16 8 43.1 43.1 23.0 414.5 4.1 195 0.70

3 324+780 Izq 76 64 32 20 16 45.3 45.3 24.4 438.9 4.4 260 0.70

1 324+950 Izq 72 60 32 16 8 46.4 46.4 25.2 453.8 4.5 260 0.70

2 324+970 Izq 76 60 44 32 16 62.5 62.5 35.3 330.2 3.3 195 0.70

3 324+990 Izq 60 44 20 12 8 39.6 39.6 20.8 621.7 6.2 195 0.70

4 325+010 Izq 68 52 36 16 8 52.5 52.5 29.0 431.7 4.3 195 0.50

5 325+030 Izq 60 48 28 12 4 47.5 47.5 25.8 534.0 5.3 260 0.50

1 325+040 Izq 72 60 44 20 8 58.3 58.3 32.7 371.1 3.7 260 0.40

2 325+060 Izq 52 44 28 16 12 54.2 54.2 30.0 549.1 5.5 391 0.40

3 325+080 Izq 60 52 36 20 12 59.4 59.4 33.3 438.2 4.4 391 0.40

4 325+100 Izq 48 36 20 12 4 43.8 43.8 23.5 715.8 7.2 260 0.40

5 325+120 Izq 52 40 20 8 4 42.5 42.5 22.7 676.9 6.8 260 0.70

6 325+140 Izq 56 44 28 16 8 50.0 50.0 27.4 547.2 5.5 260 0.70

1 324+950 Der 44 36 24 16 12 56.3 56.3 31.3 627.4 6.3 391 0.70

2 324+970 Der 60 40 20 12 10 37.5 37.5 19.5 648.7 6.5 156 0.70

3 324+990 Der 44 36 20 12 8 46.9 46.9 25.4 736.5 7.4 391 0.70

4 325+010 Der 56 44 32 20 12 58.3 58.3 32.7 477.1 4.8 260 0.70

5 325+030 Der 92 64 32 20 12 39.1 39.1 20.5 409.7 4.1 112 0.70

6 325+050 Der 72 52 36 24 20 50.0 50.0 27.4 425.6 4.3 156 0.70

7 325+070 Der 60 48 32 20 12 54.2 54.2 30.0 475.9 4.8 260 0.70

8 325+090 Der 76 68 44 24 16 57.5 57.5 32.1 356.1 3.6 391 0.70

9 325+110 Der 68 60 40 24 16 59.4 59.4 33.3 386.7 3.9 391 0.70

10 325+130 Der 60 48 32 20 12 54.2 54.2 30.0 475.9 4.8 260 0.70

h= 40 cm

h = 70 cm.

Lmedia 58.0 Lmedia 52.8

20

40

60

80

100

120

140

160

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0

VB

CBR's (%)

Series1



3.2.- CARACTERIZACION DE LAS SUBRASANTES MEJORADAS Adicionalmente a las deflexiones registradas para los mejoramientos ya realizados, esa información deflectométrica resultó muy valiosa no solo para la calibración de las deflexiones en obra, sino también fundamentalmente han servido para correlacionar las resiliencias obtenidas mediante la Viga Benkelman (Eo) con los CBR’s y los espesores de mejoramiento en la subrasante. Habiéndose realizado los ensayos de laboratorio a las muestras provenientes de la subrasante mejorada, a partir de este sector representativo se pudo establecer lo siguiente:

a) Como es natural para este tipo de suelos, el límite líquido casi en todos los casos era mayor que la humedad natural. El hecho más importante es que la humedad natural era muy cercana o inclusive llegaba a igualarse al límite líquido (ver el gráfico siguiente).En tales condiciones, es obvio que resultaba imposible poder alcanzar el grado de compactación exigido en las Especificaciones Técnicas.

b) La densidad natural de los suelos era baja como consecuencia de su

elevado contenido de humedad, en tales condiciones su capacidad de soporte (CBR) resultaba naturalmente baja (ver el gráfico siguiente).

5.0

15.0

25.0

35.0

45.0

55.0

30

0+

50

0

30

1+

00

0

30

1+

50

0

30

2+

00

0

30

2+

50

0

30

3+

00

0

30

3+

50

0

30

4+

00

0

30

4+

50

0

30

5+

00

0

30

5+

50

0

30

6+

00

0

30

6+

50

0

30

7+

00

0

30

7+

50

0

30

8+

00

0

HU

ME

DA

D (

% )

PROGRESIVA (m) Limite Liquido Limite Plastico Humedad Natural



c) Los índices de consistencia de los suelos correspondientes a su matriz

limo-arcillosa eran en su gran mayoría menores a 0.70 (ver el gráfico siguiente), al que, naturalmente correspondían valores muy bajos de CBR.

4.- ANALISIS DE LOS RESULTADOS

4.1.- ALTERNATIVAS GENERICAS DE MEJORAMIENTO

Dentro de las posibles alternativas genéricas de mejoramiento de subrasantes, para las condiciones de esa obra, se podían considerar someramente las siguientes:

a. Disminución del contenido de humedad del suelo natural. b. Estabilización química (utilizando cal o cemento). c. Uso de geosintéticos (principalmente geomallas). d. Reemplazo de material (estabilización mecánica).

En el siguiente cuadro se resumen las ventajas y desventajas de cada una de las alternativas consideradas:

Tabla N° 7

ALTERNATIVAS GENERALES DE MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES NO COMPETENTES

Alternativa Ventajas Desventajas

Disminución del contenido de humedad

Si el C.B.R. era ≥ 9%, podría resultar más

económico, al no ser estrictamente necesario su reemplazo.

Requiere tiempo considerable para el secado, lo que afecta el

ritmo de avance de los trabajos, además resulta

riesgoso pues se tendrían trechos abiertos expuestos a los cambios climáticos de una

región muy lluviosa.



De esta rápida comparación, ‒ que habitualmente se repite en casi todo tipo de obras de esta naturaleza ‒ resulta claro que la estabilización mecánica mediante el reemplazo del material no competente por otro de mejores características, resulta la más conveniente, tanto en términos económicos como en términos de ejecución de obra.

4.2.- MEJORAMIENTO DE SUBRASANTE EN FUNCION A CORRELACION

DEFLECTOMETRICA

4.2.1. Trabajos previos de Estabilización Química en el Tramo 2I de Conirsa El paquete estructural del pavimento correspondiente al Tramo 2 de Conirsa (entre Iñapari-Puente Inambari) fue conceptualizado en base a estabilización química mediante capa sub-base de suelo-cal y capa base de suelo-cemento. Este diseño fue realizado fundamentalmente debido a la escasez de materiales granulares en toda esa región amazónica. El consultor de apoyo de ese proyecto Ing. Rodrigo Vasconcellos (ver el Anexo 2); luego del estudio realizado al respecto, presentó octubre de 2007 un reporte titulado “Metodología alternativa de aprovechamiento del soporte existente con la evaluación estructural previa del pavimento en las condiciones actuales”. En ese trabajo se determinaron los espesores necesarios de reemplazo localizado con suelo de CBR mínimo de 30% e incorporación de cal al 2% en peso en diferentes espesores de estabilización química, para bajar la deflexión al valor admisible de 107 1/100 mm.

Si bien esa solución era aplicable a esa región por la carencia de materiales granulares, sin embargo es necesario admitir que tal procedimiento es completamente singular y atípico ya que su práctica no resulta replicable en regiones donde los mejoramientos en su mayor parte pueden y suelen realizarse con suelos granulares.

Estabilización química (cal o

cemento)

Se logra un ahorro al evitar el transporte de

material de mejoramiento.

Costo antieconómico; además de que el avance es lento

debido a que debe trabajarse con equipamiento especial.

Uso de Geosintéticos

(geomalla)

Menor o nulo espesor de transporte de

material de mejoramiento.

La solución resultaba más antieconómica que la anterior,

además de que no se tenía previsto este insumo.

Reemplazo de material

(estabilización mecánica)

Rápido y económico debido a la

disponibilidad de material granular en la

región.

Prácticamente ninguna.



La metodología de los espesores de mejoramientos realizados en función a las deflexiones máximas de ese proyecto se muestra en el siguiente cuadro:

Tabla N° 8 ACCIONES CORRECTIVAS PROPUESTAS EN BASE A LA

CAPACIDAD ESTRUCTURAL DE LA SUBRASANTE EXISTENTE

Rango de Deflexiones Características

Espesor Requerido

de Tratamiento con

2% de cal

Acciones a Ejecutar para la

Continuidad de la Obra

D0 Característico <= 107 mm/100 0,0 cm Ejecutar la Subbase

108 mm/100 < D0 Característico< = 120 mm/100 23 cmTratar 23 cm del suelo local con

2% de cal y ejecutar la subbase

120 mm/100 < D0 Característico< = 135 mm/100 29 cmTratar 29 cm del suelo local con

2% de cal y ejecutar la subbase

135 mm/100 < D0 Característico< = 150 mm/100 34 cm

Tratar 19 cm del suelo local con

2% de cal y elevar la rasante en

15 cm con material de CBR

>=30% y ejecutar la subbase











D0 Característico > 200 mm/100 57 cm

Reemplazo del Material con 57

cm de Espesor ó elevación de la

rasante en 57 cm con material

de CBR >= 30%

Como se reportó anteriormente, las acciones correctivas propuestas se realizaban luego de evidenciar mediante la VB la inestabilidad de algún estrato subyacente, y seguidamente se procedía con el mejoramiento en base a la incorporación de cal al 2% en los espesores arriba indicados.

Adicionalmente, su validez fue objeto de estricto monitoreo mediante las verificaciones de campo y como resultado de esa calibración, se afinó el procedimiento constructivo, de tal modo que sea aplicable a zonas similares que requieran mejoramiento con estabilización química.

4.2.2. Investigación analítica entre Viga Benkelman y CBR

Aplicando la fórmula de Burmister, se han realizado cálculos para las deflexiones teóricas previsibles entre dos capas en la interfase del sistema suelo-pavimento: la primera con espesores variables de material de mejoramiento con CBR mínimo de 30% y la capa subyacente del suelo natural con CBR variable desde 3% hasta 10%. Como resultado de estos cálculos, se calcularon analíticamente los espesores necesarios de refuerzo para obtener en cada caso una deflexión máxima admisible de 92 1/100 mm. a nivel de la subrasante mejorada.



Tal como se explicó en el numeral 3.1.2, recordemos que la fórmula de la deflexión vertical para dos capas que fuera propuesta por Burmister es la siguiente: Δ = 1.5 * [(p* a)/E2]*F2 (ecuación 3) Donde: En la resolución de la ecuación anterior se consideró lo siguiente: E1 = Modulo resiliente del material de mejoramiento. CBRmejoram. = 30% E1 = 15,000 psi. = 1055 kg/cm2

Con estos datos, se verificó en cada caso que la solución de mejoramiento a través de la incorporación de material con CBR min. del 30% verifique que la deflexión resulte la máxima esperada, aplicando los coeficientes de ajuste determinados en las pruebas de calibración previamente realizadas.

Los resultados se muestran en la Tabla Nº 9.

De este modo se llegó a una propuesta de espesores de mejoramiento en base a la determinación previa de la deflexión máxima admisible en subrasantes con CBR inferior al 10%.

Tabla N° 9

MEJORAMIENTO SISTEMATIZADO DE SUBRASANTE NO COMPETENTE MEDIANTE REEMPLAZO DE MATERIAL

CBRsuelo

natural de

fundación

p (kg/cm2)

a (cm)

Mr (psi)

E1(Kg/cm2

) E2

(Kg/cm2) E2/E1 F2

Espesor min. de

mejoram.

(cm)

3% 5.64 10.79 4,410 1,055 310 0.29 0.31 70

4% 5.64 10.79 6,005 1,055 414 0.39 0.42 65

5% 5.64 10.79 7,499 1,055 517 0.49 0.52 60

6% 5.64 10.79 9,008 1,055 621 0.59 0.62 55

7% 5.64 10.79 10,502 1,055 724 0.69 0.73 35

8% 5.64 10.79 11,996 1,055 827 0.78 0.82 30

9% 5.64 10.79 13,504 1,055 931 0.88 0.93 10

10% 5.64 10.79 15,000 1,055 1,034 0.98 1.00 0

Δ = Deflexión: (10^-2 mm). p = Presión de inflado de la llanta (5.64 kg/cm2). a = Radio de contacto (10.79 cm).

E2 = Módulo resiliente del terreno de fundación. F2 = Factor resultante de los módulos Resiliente y z/a



4.2.3. Correlación existente entre espesores de mejoramiento y CBR

A partir de los valores encontrados en la Tabla Nº 9, se procedió a la graficación de los valores correspondientes a los diferentes CBR’s en el rango de 3% al 10% con respecto a los diferentes valores de espesores de mejoramiento realizados y la aplicación de las deflexiones teóricas esperadas.

Estas deflexiones luego fueron ajustadas mediante la aplicación de los coeficientes de ajuste encontrados en la calibración de las deflexiones de obra (Tabla Nº 4). De este modo, con la incorporación del material de mejoramiento de un CBR no menor al 30%, se garantizaba que las deflexiones no puedan exceder a las deflexiones máximas permisibles a nivel de la subrasante del pavimento.

La correlación realizada se muestra en la Tabla Nº 10 de la siguiente página. Para efectos prácticos se expresó mediante una regresión lineal cuya ecuación es la siguiente: y = -10.417x + 108.33 En base a los datos que arrojaba esta regresión, se pudieron determinar inequívocamente los espesores de mejoramiento correspondientes.

4.2.4. Procedimiento de correlación de deflexiones de subrasante natural con espesores variables de material incorporado con CBRmin. de 30%

Los procedimientos anteriormente descritos acerca de las correlaciones existentes entre los CBR’s de subrasantes con baja capacidad portante y las deflexiones correspondientes al suelo natural de fundación subyacente a la estructura del pavimento, pudieron ser sistematizados a través de la determinación de espesores de material de mejoramiento con un CBR no menor al 30% debidamente sustentados en previas pruebas de calibración y deflexiones máximas registradas en ese tramo de prueba.

La metodología teórica anteriormente descrita proporcionaba espesores en estricta correspondencia con los valores introducidos. Así por ejemplo, los valores resultantes en los extremos de la regresión lineal de la Tabla Nº 10 eran los siguientes: Para un CBR = 3% → espesor resultante h = 77.08 cm. Para un CBR = 10% → espesor resultante h = 4.16 cm. Naturalmente que no era posible aplicar estos valores así discretizados en la ejecución de obra, considerando que una aproximación al centímetro ya es bastante exigente para los propósitos que se persiguen.

Considerando las incertidumbres implícitamente presentes en toda innovación de ejecución, se tomaron valores redondeados que puedan resultar prácticos en la ejecución de los mejoramientos de subrasantes. De este modo, se aplicó la Tabla Nº 11 que se muestra en la página sub-siguiente.



Tabla Nº 10

CBR Mejoramiento

% ( cm) 3 80 4 65 5 60 6 55 7 35 8 30 9 10 10 0

NOTA Este gráfico fue elaborado a partir de la calibración de la Teoría de Burmister para doble capa

con espesores de material de mejoramiento para un CBR mínimo de 30%

y = -10.417x + 108.33

0

10

20

30

40

50

60

70

80

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Es

pe

so

r d

e h

(

cm

)

C.B.R (%)

Grafico para espesores de subrasante mejorada

CAPA BASE

CAPA SUB-BASE

SUB RASANTE MEJORADA h

TSB

CBR min = 30%



Tabla Nº 11

ESPESORES DE MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES DE BAJA CAPACIDAD PORTANTE

VALORES DE CBR (%)

RANGO DE DEFLEXIONES CARACTERISTICAS

Espesor requerido de Acciones definidas para

Subrasante mejorada garantizar la deflexión máxima

3 D0característico> 200 mm/ 100 80 cm. Mejorar la subrasante con 80 cm.

CBR>30%

4 185 mm/100 < D0característico<= 200 mm/ 100 65 cm. Mejorar la subrasante con 65 cm.

CBR>30%

5 165 mm/100 <D0 característico<= 185 mm/ 100 60 cm. Mejorar la subrasante con 60 cm.

CBR>30%

6 145 mm/100 < D0 característico<= 165 mm/ 100 55 cm. Mejorar la subrasante con 55 cm.

CBR>30%


CBR>30%


CBR>30%

9 90 mm/100 < D0 característico<= 105 mm/ 100 10 cm. Mejorar la subrasante con 10 cm.

CBR>30%

10 D0característico<= 90 mm/ 100 5cm. Mejorar la subrasante con 5 cm. CBR>30%



5.- CONCLUSIONES

De acuerdo a los análisis efectuados y los resultados obtenidos, se puede concluir válidamente lo siguiente:

Para que la estructura de un pavimento se comporte adecuadamente y cumpla el período de diseño, a nivel de subrasante registrará una deflexión no mayor de 2.0 mm. para cargas estáticas transmitidas por un eje estándar de 80 kN. Esta deflexión máxima, bajo carga estática, puede ser medida con a Viga Benkelman. Esto significa que para deflexiones mayores, se deberá proceder con el mejoramiento de la subrasante.

En apoyo de esta primera conclusión, por ejemplo, los reglamentos viales estatales en EE.UU. recomiendan que el valor CBR de la subrasante natural del suelo de fundación deba ser como mínimo entre 8 a 10%. Caso contrario, se estipula primero estabilizar el suelo natural subyacente antes de construir la estructura del pavimento.

En general, en los trabajos de explanaciones, los mejoramientos de subrasante resultan casi inevitables en sectores puntuales con déficit de resistencia del suelo. El mejoramiento se efectúa fundamentalmente en base a las condiciones reales en las que se encuentra el suelo natural de fundación.

De todas las alternativas factibles para efectuar el mejoramiento de subrasantes, la más económica resulta incuestionablemente el reemplazo del material inadecuado, especialmente en las regiones donde se tiene disponibilidad de este tipo de material a un costo relativamente económico.

Considerando la imposibilidad técnica de compactar materiales sobre suelos con CBR’s deficitarios, la capa de mejoramiento de la subrasante debe conformarse ‒según las experiencias realizadas‒ con materiales provenientes de canteras que tengan un CBR igual o mayoral 30%.

Los cálculos teóricos para las correlaciones fueron efectuados siguiendo el modelo de Burmister para doble capa y, los resultados obtenidos han permitido definir nítidamente la profundidad y consecuentemente el espesor necesario para lograr cada mejoramiento.

La metodología aplicada resumidamente fue la siguiente: en base a una apreciable cantidad de ensayos de CBR realizados como parte del procedimiento rutinario en los trabajos de campo, se realizaron sus ensayos deflectométricos respectivos con VB, de tal modo que sirvió a dos propósitos: a) calibrar las deflexiones para espesores conocidos de 0,40 y 0,70 m. de espesores de mejoramiento de subrasante y, b) realizar el tratamiento estadístico con los módulos resilientes y los CBR’s inferidos.



Es conocido que existen dos enfoques para el análisis del cálculo inverso para identificar las propiedades de los materiales. El retro análisis inverso y el retro análisis directo. El retro análisis inverso adopta un “criterio de error de ecuación” que minimiza los errores de la ecuación de respuesta para estimar las deflexiones. El retro análisis directo es una aproximación basada en minimizar el “error de salidas de resultados”, por ejemplo la diferencia entre deflexiones medidas y calculadas.

Precisamente, se ha acudido a este último enfoque para plantear un modelo sencillo ya que tiene la cualidad de clarificar y nos ayuda a resolver el funcionamiento del sistema cuando la presión ejercida por las ruedas es tan alta que no puede ser soportada por el suelo subyacente. Como la estructura del pavimento reparte la carga para llevarla lo más mitigadamente posible a la subrasante, entonces la solución al problema consistió en determinar el espesor que logre disipar la cantidad de esfuerzo transmitido.

Académicamente, se conoce que la reología de los materiales revela que su comportamiento es ciertamente viscoelástico, en función del estado de esfuerzos, tiempo de aplicación de las cargas y de la temperatura. De la misma forma, se admite que sus materiales granulares constituyentes responden a las cargas, en función a su densidad y humedad y, se sabe que su comportamiento tampoco es lineal ya que depende en gran medida de las características del suelo natural subyacente.

Sin embargo, por simplicidad de método, para la aplicación de esta metodología, se asume un comportamiento lineal entre los esfuerzos y deformaciones, por lo que tácitamente se acepta que esos materiales trabajan dentro de su rango elástico.

6.- POSIBILIDADES DE APLICACION

En la construcción de carreteras, habitualmente los métodos de mejoramiento de subrasantes, son en su mayoría empíricos; es decir, que la experiencia previa del Ingeniero juega un rol muy importante. Se requiere contar con ciertos años de práctica probada en este rubro para poder garantizar los resultados de estabilidad del paquete estructural.

En las regiones con alta pluviometría, los estratos de suelo natural se presentan generalmente de consistencia blanda por el exceso de humedad, lo cual no permite su compactación hasta alcanzar la densidad deseada. De este hecho, se deduce válidamente que, en los trabajos de explanaciones para subrasantes, ciertos suelos no necesariamente son reemplazados porque se traten de suelos no competentes, sino por su falta de suficiente consistencia debido a la presencia de humedad excesiva.

En la mayoría de los casos el exceso de humedad se debe a la presencia de líneas de flujo sub-superficiales no advertidas



oportunamente por los estudios geotécnicos. Esto suele ocurrir especialmente durante la formulación del Proyecto, ya que no resulta posible detectar superficialmente todos los sectores puntuales que requerirán mejoramientos, especialmente cuando las prospecciones de suelos se efectuaron en forma masiva y expeditiva.

Antes, era práctica común determinar la falta de capacidad portante mediante la realización intensiva de ensayos de CBR. Sin embargo somos conscientes que la realización de estos ensayos exige un tiempo referencial no menor de 4 días solo para la prueba de laboratorio, en el mejor de los casos. A esto se suma el hecho de que al ser un valor determinístico (fijo) que expresa el potencial que tiene el suelo o el material respecto a su resistencia, entonces es un parámetro que debe estar condicionado al completo entendimiento de sus limitaciones y debería ser considerado meramente solo como un valor orientador.

Tomando en cuenta todos estos argumentos complementarios, se concluye nítidamente que las posibilidades de aplicación son inmediatas y con una pequeña dosis de inferencia analítica se puede hacer extensiva a cualquier tipo de suelo y/o proyecto carretero en construcción. Esta investigación viene a llenar una sentida necesidad de los ingenieros de carreteras y sabrá ser adecuadamente apreciado por los colegas concernidos en esta temática.

Sin embargo, es necesario reconocer que a pesar de los esfuerzos desplegados para recopilar el estado actual del conocimiento científico de este rubro, debemos reconocer que los trabajos son aún insuficientes para pensar que se dispone de una suficiente gama de aportes. Entonces, la validez de nuevos ensayos sujetos a evaluaciones de laboratorio y posteriores verificaciones de campo; es una tarea pendiente que podría favorecer nuestro mayor conocimiento del mismo.

En ese sentido, se recomienda realizar el mismo tipo de experiencias y metodología que las realizadas para el presente trabajo, a otros tipos de suelos y proyectos viales, para ampliar el universo de experimentos análogos y así poder establecer paralelismos más pertinentes.

Tomando en cuenta que los trabajos de la partida de subrasante se efectúan generalmente de una forma masiva, resulta necesario efectuar los trabajos de mejoramiento en una forma rápida, sencilla y eficaz, aplicando esta metodología y validando con los registros de campo, a objeto de inferir la capacidad portante del suelo de fundación mediante deflexiones de VB y definir los espesores de mejoramiento a partir de los criterios expresados según se muestra en la Tabla N° 11.

Este método simplificado facilitará en la práctica la rápida verificación, para condiciones reales de campo de los valores de refuerzo de la subrasante a utilizar como una adecuada respuesta en relación a la capacidad resistente de los suelos.



Reflexiones finales

Existen actualmente una apreciable cantidad de trabajos de correlación realizados entre ciertos métodos convencionales y alternativos tales como el CBR y SPT, cono dinámico y SPT, penetrómetro con anillo de carga vs Proctor/CBR y compactómetro electrónico vs. Proctor y CBR.

El método descrito se aboca a contribuir en la solución confiable del mejoramiento de subrasantes en base a correlación entre CBR y ensayos deflectométricos con VB, de tal modo que coadyuve en la celeridad de los trabajos de campo y garantice la solvencia técnica de las respuestas ofrecidas. Naturalmente que en la emulación de otros estudios que se puedan emprender a futuro, sería deseable de contar además con toda la sistematización y el grado de sofisticación que se desee añadirle, para afinar sus resultados.

Esto es posible, tomando en cuenta la gran capacidad de las herramientas computacionales actuales, que con una adecuada sistematización de sus registros de campo, se puede mejorar sustantivamente las analogías con otros métodos equivalentes para perfeccionar los vínculos entre las deflexiones y los mejoramientos subsecuentes.

Por lo tanto; uno de los desafíos contraídos es desarrollar a futuro modelos de respuesta que puedan describir lo más certeramente posible el comportamiento real de las subrasantes en su interacción con los materiales del pavimento durante su vida de servicio.

La continuación de trabajos de investigación así como la identificación y análisis de los diferentes tipos de modelos análogos debería suscitar mucha atención e interés motivados por el gran beneficio potencial de la rapidez de la evaluación y la economía lograda en sus resultados.

Así, se podrá llegar con el cálculo directo a un diseño óptimo, lo que conducirá a que se logre una adecuada combinación de espesores que cumplan con el propósito buscado.

Las bases están dadas a través de la presentación de estos resultados y solo resta profundizar la validez y confiablidad de esta nueva herramienta desarrollada.

Lima, marzo de 2013.

ANEXOS

ANEXO DE BIBLIOGRAFIA UTILIZADA

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