clase 8-comportamiento estructural materiales(2014)

Prof. Sergio Vargas T. (UBB-UdeC) 1

Captulo 3: Comportamiento Materiales

3.1 La Subrasante

3.2 Bases y Subbases

3.3 Carpeta de Rodado: Asfalto y Hormign

Capitulo 3: Comportamiento Estructural de Materiales

3.1 La Subrasante

3.1.1 Introduccin

3.1.2 Reconocimiento y Estudios de Suelo

3.1.3 Clasificacin de Suelos

3.1.4 Propiedades Mecnicas para el Diseo

3.1.5 Seleccin de Valor de Diseo

3.1.6 Proceso de Estudio de Suelos



3.1.1 Introduccin

La subrasante se refiere a la plataforma de suelo donde se sustenta la

superestructura del pavimento

La subrasante puede estar emplazada en:

o Corte

o Terrapln

o Suelo natural

o Suelo de reemplazo o mejorado





Las principales funciones de la subrasante son:

Funciones de la Subrasante

Soportar las cargas que transmite el pavimento y darle

sustentacin,

Constituirse en la fundacin de la estructura de pavimento

Evitar que el terrapln contamine al pavimento y que sea

absorbido por las terraceras.

A mejor calidad de la subrasante menores son los espesores de

las capas del pavimento por lo que hay un ahorro en costos sin

reducir la calidad.

3.1.2 Reconocimiento y Estudio de Suelos

Comprende:

Estudio geolgico y geomorfolgico en la zona de trazado

Exploracin in-situ del subsuelo

Ensayos de Laboratorio

Objetivos del reconocimiento y estudio de suelos:

Estudiar las propiedades mecnicas, fsicas y qumicas del suelo

(pavimentos, estructuras, taludes)

Estudiar factibilidad tcnica del trazado propuesto

Localizar materiales de emprstito

Determinar el nivel de la capa fretica

Localizacin de ductos subterrneos (zonas urbanas)

Tramificacin del proyecto para el diseo.



Prospeccin in situ mediante Calicatas

Objetivos:

Descripcin visual del suelo

Estratigrafa del suelo

Muestras para el estudio en

laboratorio (clasificacin de suelo, CBR,

granulometra, etc.)

Definicin:

Consiste en la extraccin de muestras de

suelo de diferentes estratos, con el

objeto de realizar una inspeccin directa

del suelo que se desea estudiar.

Profundidad:

Hasta 1.5 2.0 m. bajo nivel de subrasante (*)


3.1.3 Clasificacin de Suelos

Tiene por objeto aprovechar y ordenar la experiencia acumulada de los

diferentes tipos de suelo, as como tambin predecir su comportamiento como

material ingenieril.

Los sistemas de clasificacin ms conocidos son el AASHTO y el USCS conocido

tambin como de Casagrande.

Cada sistema a sido elaborado para tipos de obras especficas, por ej. el

mtodo AASHTO se utiliza en obras viales y el UCSC para fundaciones

Estos sistemas clasifican los suelos a partir de muestras aisladas y

perturbadas, basndose exclusivamente en la textura y en las constantes

hdricas.



Mtodo AASHTO

El sistema emplea 7 grupos bsicos designados como A-1, A-2, A-3, A-4, A-5, A-

6, A-7.

Los grupos A-1 a A-3 corresponden a suelos granulares, en los cuales pasa

menos de un 35% bajo la malla N 200 (0.074 mm).

El resto de los grupos A-4 a A-7 corresponden a suelos finos, limos y arcillas en

los cuales el % que pasa la malla N 200 es mayor que 35%.

Los siete grupos principales han sido divididos en 12 subgrupos.

Los suelos pertenecientes a un mismo grupo tienen capacidades de soporte

similares.

Los espesores de pavimentos requeridos aumentan segn crece el nmero de

clasificacin de A-1 a A-7.




Indice de Grupo (IG).

donde:

a: porcentaje del material que pasa la malla N 200 en exceso de 35 expresado en nmero entero.

Para porcentajes mayores de 75 se considera 75 y para valores menores a 35 se considera 0.

b: porcentaje de material que pasa la malla N 200 en exceso de 15 y no mayor a 55.

c: valor del lmite lquido menos 40 y que no exceda 60. Se expresa como nmero entero positivo.

d: valor del ndice de plasticidad menos 10 y que no exceda a 30. Se expresa como nmero entero

positivo.

Es un coeficiente emprico que se relaciona en forma aproximada, con el valor de

soporte de los suelos de subrasante de caminos.

Cuanto mayor sea el IG, peor es la calidad del suelo de fundacin




Mtodo USCS (Unified Soil Classification System)

Desarrollado por Casagrande para obras militares durante la guerra.

Utiliza otros parmetros como la uniformidad de la granulometra (Cu y Cc)


3.1.4 Propiedades Mecnicas para el Diseo

La respuesta del suelo es distinta dependiendo del tipo de pavimento (rgido

o flexible)

Las principales propiedades del suelo y los ensayos para el diseo son los

siguientes

Pavimento Propiedad Ensayo

Rgido Mdulo de Reaccin de la Subrasante (k)

No hay ensayo de Laboratorio

Placa de carga (terreno) Correlacin CBR

Flexible Mdulo Resiliente (Mr) Mr Laboratorio FWD (terreno) Correlacin CBR



Ensayo CBR (California Bearing Ratio)

En este ensayo se mide la carga necesaria

para hacer penetrar un pistn de 3 pulg2 de

seccin en una masa de suelo compactada en

forma normalizada.

Esta carga se relaciona con una carga

estndar y el resultado final se expresa en

porcentaje (%).

La curva de comparacin se llama curva

patrn y corresponde a un chancado ideal al

cual se le asigna un valor CBR de 100%.

Este ensayo no representa la deformacin

del suelo en estado de servicio, sin embargo la

experiencia lo ha validado.


Mdulo de Reaccin de la Subrasante (k)

El mtodo AASHTO original utiliz una prueba de carga esttica sobre un plato

rgido de 760 mm. de dimetro, para determinar el valor de K.

Se aplica presin lentamente hasta alcanzar

10 psi (69 kpa)

Se mantiene la presin constante hasta que

la velocidad de deformacin se hace

asinttica (0.001 in/min) por 3 minutos

Se mide la deformacin del plato en la orilla

(3 puntos a 120 )

Se calcula k = p/ para p = 10 psi.



Mdulo Resiliente (Mr)

Una carga de rueda en movimiento

imparte un pulso de carga dinmica al

suelo de fundacin.

Este impulso de tensin se inicia en

un valor bajo hasta llegar a un mximo

en un perodo de tiempo que se

relaciona con la velocidad del vehculo.

La deformacin del suelo resultante de ese pulso tendr una componente

elstica recuperable, y una resiliente que no es recuperable.


Ensayo Laboratorio Mdulo Resiliente (Mr)

Se realiza mediante ensayos triaxiales dinmicos de

cargas repetidas en probetas cilndricas que simulan

un elemento de suelo

las probetas se someten a una presin de

confinamiento 3 y a un esfuerzo desviador d

d: tensin desviadora

r: deformacin recuperable



Ensayo Terreno Mdulo Resiliente (Mr)

FWD: Falling Weight Deflectometer

El FWD utiliza varios geforos para calcular el cuenco de deflexin

A travs de las mediciones de deflexin se puede estimar el Mr de las

diferentes capas, utilizando retroclculo (Back Calculation)

El equipo no mide Mr, mide la deformacin de los geforos


Correlaciones Utilizadas

MR = 17.652*CBR0.64 (MPa) 2 % < CBR < 12 %

MR = 22.065*CBR0.55 (MPa) 12 % 10 %

Mdulo de Reaccin de Subrasante (pavimentos rgidos)

Mdulo Resiliente (pavimentos flexibles)



3.1.5 Seleccin del Valor de Diseo

Dada la longitud de un proyecto vial, las caractersticas de la subrasante

difcilmente son homogneas en toda su extensin.

Si bien es posible caracterizar las distintas muestras de suelo, la pregunta es:

Cul ser el valor a utilizar en el diseo del pavimento?

La respuesta est en realizar una tramificacin del proyecto, segn segmentos

que puedan considerarse homogneos.

A nivel general, es posible utilizar 2 mtodos:

Mtodo 1: Criterio ingenieril con verificacin estadstica

Mtodo 2: Diferencias acumuladas (AASHTO)


Criterio Ingenieril con Verificacin Estadstica



Diferencias Acumuladas

Este mtodo resuelve en forma analtica los posibles puntos donde se debe

tramificar.

Se grafica Zx y se identifican los cambios de pendiente.

ri : registro de medicin en punto i

xi : diferencia de kilometraje de punto i e i-1

Lp : Longitud total de proyecto

Zx

km

T1 T2 T3 T4


Seleccin del Valor de diseo

Generalmente se utiliza la media o el percentil 20%



3.1.6 Proceso de Estudio de Suelos

Entender la Mecnica de Suelos. CBR, k, Mr

Establecer un protocolo de muestreo

Realizar los Ensayos y establecer alcances de los ensayos

Tramificar el proyecto

Seleccionar Valor de Diseo

Recomendaciones bsicas de construccin


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