mÓdulo 6: evaluaciÓn de la sub rasante - fernando sÁnchez sabogal

EVALUACIÓN DE LA

SUBRASANTE

CONTENIDO

Exploración de la subrasante

Definición del perfil y delimitación de

áreas homogéneas

Determinación de la resistencia o respuesta

de diseño para cada área homogénea

EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE

La respuesta del suelo de subrasante es el factor más

importante en la determinación de los espesores de

diseño del pavimento

La respuesta de la subrasante ante las cargas del

tránsito depende de los tipos de suelo que la

constituyen y de la densidad y la humedad de ellos,

tanto durante la construcción como durante el servicio


La caracterización de los suelos de subrasante

comprende las siguientes etapas:

— Exploración de la subrasante

— Definición del perfil y delimitación de áreas

homogéneas

— Ejecución de ensayos de resistencia sobre los

suelos predominantes

— Determinación del valor de resistencia o de

respuesta de diseño para cada área homogénea


EXPLORACIÓN

DE LA

SUBRASANTE

EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE

Se debe adelantar una investigación a lo largo del

alineamiento aprobado, con el fin de identificar la

extensión y la condición de los diferentes depósitos de

suelos que se encuentren

La investigación se realiza mediante perforaciones a

intervalos definidos de acuerdo con la variabilidad del

terreno, la longitud y la importancia del proyecto y los

recursos técnicos y económicos disponibles

Las perforaciones deberán alcanzar, cuando menos,

500 mm bajo la cota proyectada de subrasante


INTERVALOS ENTRE PERFORACIONES


EJECUCIÓN DE PERFORACIONES


REGISTRO DEL PERFIL EN EL TERRENO


REGISTRO DEL PERFIL Y TOMA DE MUESTRAS

Se debe tomar suficiente cantidad de muestra de cada

suelo encontrado en las perforaciones para determinar:

—Humedad natural

—Límites de consistencia

—Granulometría

—Compactación

—Resistencia o respuesta ante cargas transitorias

Igual tratamiento se debe dar a los suelos de préstamo

que se colocarán en los rellenos y que influirán en el

comportamiento del pavimento



Los sistemas de clasificación encuadran los suelos en

una determinada tipología a partir de su granulometría y

límites de consistencia

El sistema más apropiado para clasificar los suelos

para estudio de calles y carreteras es el AASHTO

Las muestras para clasificación y otros ensayos no se

deben tomar al azar, sino de acuerdo con el desarrollo

del perfil a lo largo de la vía y la secuencia en que se

presenten las diferentes capas de suelo

CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS


CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS

Determinación de granulometría Determinación de los límites de consistencia


TABLA DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS DE LA AASHTO


DEFINICIÓN DEL

PERFIL Y

DELIMITACIÓN DE

ÁREAS HOMOGÉNEAS

Inicialmente se sectoriza el tramo en estudio, de acuerdo

con los niveles esperados de tránsito a lo largo de él

DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN

DE ÁREAS HOMOGÉNEAS

SECTORIZACIÓN INICIAL POR TRÁNSITO

A partir de las clasificaciones de los suelos de subrasante

encontrados en las perforaciones, se elabora un perfil



SECTORIZACIÓN COMPLEMENTARIA POR TIPOS DE ROCA O SUELO



Se determina la longitud en la cual predomina cada suelo

y se delimitan áreas homogéneas para efectos de diseño,

teniendo en cuenta el tránsito de proyecto

Las secciones escogidas deben ser de suficiente longitud,

con el fin de que los diseños resultantes den lugar a una

construcción práctica y económica

DETERMINACIÓN DE LAS ÁREAS HOMOGÉNEAS DE DISEÑO

DETALLE DE LOS SUELOS DE LA UNIDAD 4



Distribución de la clasificación de los suelos de la unidad 4a



Si en un tramo hay gran heterogeneidad en los suelos y no se

puede definir uno como predominante, el diseño se basará en

el más frecuente de los suelos débiles encontrados



EJECUCIÓN DE ENSAYOS

DE RESISTENCIA O DE

RESPUESTA SOBRE LOS

SUELOS

PREDOMINANTES


DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA

Los ensayos de resistencia o de respuesta se deben

realizar sobre muestras representativas de los suelos

predominantes, reproduciendo las condiciones de

humedad y densidad que se espera prevalezcan en

servicio

El ensayo más utilizado es el CBR, el cual es una

medida de la resistencia del suelo al esfuerzo cortante

bajo condiciones de humedad y densidad controladas,

que tiene aplicación en el diseño y en la evaluación de

pavimentos asfálticos

El soporte de la subrasante se puede expresar, también,

en términos del módulo de reacción, obtenido a través de

pruebas de placa directa. Este módulo se usa en el diseño

de pavimentos rígidos

La respuesta del soporte se puede caracterizar también

en términos de parámetros elásticos (módulo resiliente y

relación de Poisson), los cuales se aplican en los

procedimientos empírico mecanísticos de diseño de

pavimentos asfálticos



ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR)

El ensayo más utilizado es el CBR, el cual representa

la relación, en porcentaje, entre el esfuerzo requerido

para penetrar un pistón cierta profundidad dentro del

suelo ensayado y el esfuerzo requerido para penetrar un

pistón igual, la misma profundidad, dentro de una

muestra patrón de piedra triturada

100*x)ón(penetracipatrónmuestralaenesfuerzo

x)ón(penetraciensayadosueloelenesfuerzoCBR




La muestra patrón fue elegida y ensayada por O.J.

Porter, en California, en 1929, presentando los

siguientes esfuerzos requeridos para diferentes

profundidades de penetración del pistón:

Valores de esfuerzo en la muestra patrón

Penetración del

pistón

(mm) 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5

(pulg.) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Esfuerzo

(MPa) 6.89 10.34 13.10 15.86 17.93

(lb/pg2) 1000 1500 1900 2300 2600




Para cada muestra preparada se dibuja una gráfica

relacionando Esfuerzo vs Penetración del pistón:




Para cada muestra elaborada, se calcula su valor de

CBR para penetraciones del pistón de 0.1‖ (2.5 mm) y

0.2‖ (5.0 mm) con las expresiones :

100*psi1500

σCBR

100*psi1000

σCBR

0.2"

0.2"

0.1"

0.1"



DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO

CONDICIONES DE EQUILIBRIO

Humedad

La resistencia de los suelos, en especial los finos, está

directamente relacionada con sus condiciones de humedad

y de densidad

Se recomienda determinar la resistencia de la subrasante

bajo la condición más húmeda que se espere una vez que

el pavimento se encuentre en servicio





Humedad

Compactar suelos finos con humedades bajas para

conseguir altas densidades y altas resistencias durante

la construcción, no constituye una buena práctica, por

cuanto el suelo queda con una estructura que se debilita

considerablemente con el humedecimiento, lo que se

traduce en pérdidas posteriores de densidad y de

resistencia e incrementos en la expansión



CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS DE ACUERDO CON LA

HUMEDAD PARA LA DETERMINACIÓN DE SU RESISTENCIA





Efectos del subdrenaje sobre la humedad de lasubrasante

Los cambios de humedad de la subrasante porfiltración y fluctuaciones del nivel freático pueden sercontrolados con la instalación y mantenimiento dedispositivos de subdrenaje

Estos dispositivos sólo son efectivos si la humedad delsuelo está sujeta a presión de poros positiva





Efectos del subdrenaje sobre la humedad de lasubrasante

Si las filtraciones de agua provenientes de la partesuperior son inevitables y abundantes, convienedeterminar la resistencia de los suelos en condiciónsaturada cuando correspondan a las categorías 1 y 2 ycon la humedad óptima del ensayo normal decompactación (Proctor Standard) cuando correspondan ala categoría 3



Densidad

La densidad que alcanza la subrasante bajo una superficieimpermeable (densidad de equilibrio), es función del tipo desuelo y del entorno ambiental en el cual actúa

Existen procedimientos para estimar a priori la densidadde equilibrio

En general, resulta suficiente considerar una densidadequivalente al 95% de la máxima del ensayo modificado decompactación (tomar precauciones en el caso de los suelosexpansivos)





CRITERIO AUSTRALIANO PARA DETERMINAR LA

RESISTENCIA EN CONDICIONES DE EQUILIBRIO

IP < 10 IP > 10

< 600 1,0 - 1,5 1,4 - 1,8

>600 y <1000 0,6 - 1,1 1,0 - 1,4

>1000 0,4 - 0,9 0,6 - 1,0

Factor de corrección (F) por aplicar al CBR sumergido* para estimar el CBR en

condiciones de equilibrio in situ

Tipo de suelo **Precipitación anual

(mm)

* Cuando el CBR sumergido ha sido usado exitosamente no hay razón para modificar el resultado con el factor F

** Los valores más bajos de cada rango se aplican en situaciones donde se espera que el drenaje sea pobre, el

nivel freático elevado, etc. Los valores mayores se aplican en la situación opuesta



DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA

MEDIANTE ENSAYOS DE CAMPO

Generalmente resulta adecuado estudiar la resistencia

de la subrasante de pavimentos construidos sobre el

mismo suelo en vecindades del proyecto, los cuales hayan

estado sometidos a tránsito cuando menos 3 años

En estos suelos, el CBR se puede medir directamente

mediante el método de campo (Norma de ensayo INV E-

169) o se puede estimar a partir del ensayo del

penetrómetro dinámico de cono (PDC)



DETERMINACIÓN DEL CBR EN EL CAMPO



ENSAYO DEL PENETRÓMETRO DINÁMICO DE CONO

Ensayo apropiado para estimar la resistencia de suelos

predominantemente finos

Mediante esta prueba se mide la rata a la cual penetra en

el suelo una varilla con una punta cónica, a medida que es

golpeada desde cierta altura con una masa especificada de

8 kg

La resistencia a la penetración es la pendiente de la recta

―Número de golpes vs penetración‖, denominada número

dinámico (ND) y se expresa en mm/golpe



RESULTADO DE UN ENSAYO PDC



La rata de penetración del PDC (Número Dinámico) puede

ser relacionada con otros valores de resistencia in-situ, como el

CBR




PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE

1. Módulo resiliente (MR)

Es un estimativo del módulo elástico, basado enmedidas de esfuerzo y deformación a partir de cargasrápidas repetidas, similares a las que experimentan losmateriales del pavimento bajo la acción del tránsito

No es una medida de la resistencia, pues el material nose lleva a rotura, sino que retorna a su tamaño y formaoriginales

2.Relación de Poisson (m)

Es la relación entre las deformaciones transversales ylongitudinales de un espécimen sometido a carga



Módulo resiliente (MR)

Se determina mediante el ensayo triaxial dinámico:




Procedimiento para hallar el Módulo Resiliente (MR)

1. Se coloca una muestra compactada en la cámara

triaxial dentro de una membrana

2. Se somete a una presión de confinamiento (s3)

3. Se aplican pulsos repetidos de un esfuerzo axial

desviador (sd)





4. Se miden las deformaciones recuperables (DL) que

ocurren en una determinada longitud de la probeta (L)

5. Se calcula la deformación axial recuperable (er= DL/ L)

6. Se determina el módulo resiliente para ese esfuerzo

desviador (MR = sd/ er )

7. Se repite el procedimiento con otros esfuerzos axiales

desviadores




Módulo resiliente (MR)

Debido al comportamiento mecánico no lineal de los

suelos, su caracterización se debe adelantar sobre un

rango de humedades y estados de esfuerzos que

representen las condiciones esperadas en el terreno




Módulo resiliente(MR)

El módulo resiliente de los

suelos cohesivos decrece con

el aumento del esfuerzo

desviador y de la humedad del

suelo, así como con la

disminución de la presión de

confinamiento (ablandamiento

por esfuerzos)

MR = A* sd -B




Módulo resiliente(MR)

El módulo resiliente de los suelos

granulares aumenta con el estado de

esfuerzos, debido al aumento de la

trabazón entre las partículas

individuales (endurecimiento por

esfuerzos) y disminuye con el

incremento de la humedad del suelo

MR = K1(I1)K2

I1= s1 + s2 + s3




Relación de Poisson (m)




ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASHTO T 222)

Se realiza para obtener el módulo de reacción de la

subrasante (k) el cual se usa en el diseño de pavimentos

rígidos

El valor k fue desarrollado básicamente como una

constante de resorte que recibe el soporte bajo la losa de

concreto

La deflexión de los resortes es proporcional a la

presión aplicada, es decir, la presión reactiva para resistir

para resistir una carga es proporcional a k y a la

deflexión de la losa (D)



ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASHTO T 222)



ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASTHO T 222)




Se coloca el equipo sobre el suelo por ensayar, se somete la

placa a diversas presiones y se miden las deflexiones

Se dibuja una curva ―deflexión vs presión‖

Determinación del módulo de reacción




El valor de “k” se calcula dividiendo la presión sobre la

placa, por la deflexión correspondiente. Hay dos criterios:

—a) Usar para el cálculo la presión para D= 0.05 pulgadas

—b) Usar para el cálculo la deflexión para p = 10 psi

pcik 32005.0

16

pcik 416024.0

10

Determinación del módulo de reacción



No todas las agencias viales están familiarizadas o

disponen de equipos modernos para caracterizar los

suelos de subrasante y los materiales no ligados del

pavimento

Es permitido el uso de correlaciones entre diversos

indicadores de la resistencia o de la respuesta del suelo

La aplicación de estas correlaciones debe ser

cuidadosa, por cuanto ellas se basan en un número

limitado de datos

CORRELACIONES ENTRE DIFERENTES

VALORES DE RESPUESTA DE LOS SUELOS



CORRELACIONES ENTRE DIFERENTES

VALORES DE RESPUESTA DE LOS SUELOS



DETERMINACIÓN DE LA

RESISTENCIA O

RESPUESTA DE DISEÑO

PARA CADA ÁREA

HOMOGÉNEA


SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE


Cualquiera sea el método para medir la resistencia o la

respuesta del suelo, cada muestra o cada ensayo dará

generalmente un resultado diferente

Es importante que el valor utilizado para el diseño no

sea ni subestimado, por cuanto dará lugar a un mayor costo

de construcción del pavimento, ni sobreestimado en un

grado tal, que existan riesgos importantes de falla

RESISTENCIA O RESPUESTA

DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA



El número de ensayos por área homogénea depende de la

extensión del proyecto:

– Para vías muy cortas (≤ 150 metros) son suficientes

dos pruebas

– Para tramos extensos (≥ 3,000 metros) se recomienda

un mínimo de 5 y un máximo de 9 por suelo homogéneo

– Para tramos de longitud intermedia se aplicará el

criterio del diseñador





Cuando se tengan menos de 5 resultados, se recomienda

tomar el menor valor de resistencia o de respuesta

determinado en condiciones de equilibrio

Cuando se tengan 5 resultados o más, la elección del valor

de diseño del área, dependerá del método de diseño del

pavimento que se vaya a emplear:

- Si se aplican AASHTO – 93 o INVIAS, se tomará el

valor promedio

- Para otros métodos, se puede emplear el criterio del

Instituto del Asfalto





X= 87.5%Mayor o igual a 106

X=75%Entre 104 y 106

X= 60%Menor o igual a 104

Valor que es igualado o

excedido por el X % de

resultados

N

CRITERIO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO



SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO

Los valores de diseño de cada área se deben redondearasí:

1000Mayor de 500010Mayor de 50

5002000 - 5000520 - 50

100500 - 200015 - 20

50Menor de 5000.5Menor de 5

Redondear aMR (kg/cm2)Redondear aCBR (%)




Ejemplo de aplicación

Los resultados de 8 ensayos triaxiales dinámicos

produjeron los siguientes módulos resilientes de un

suelo de subrasante en un área homogénea: 6,200 –

9,500 – 8,800 – 7,800 - 13,500 – 10,000 – 11,900 y

11,300 lb/pg2

Determinar el módulo de diseño del área, para valores

N de 104 , 105 y 106 ejes equivalentes de 80 kN



Solución

Criterio de AASHTO 93 e INVIAS




MR de diseño = 9,875 psi (10,000 psi) para cualquier tránsito

de diseño

psi875,98

500,13900,1111,30010,0005009,8008,8007,6,200diseñodeMR

Solución

Criterio del Instituto del Asfalto:




mÓdulo 6: evaluaciÓn de la sub rasante - fernando sÁnchez sabogal

Engineering