Estudio de Deflectometria

8/17/2019 Estudio de Deflectometria

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Premio Graña y Mont ero Investig ación Profes ional

Candidato : Ing. CIP Ramón Oviedo Bellott 1

PREMIO GRAÑA Y MONTERO

Categoría:

INVESTIGACION PROFESIONALP

Título:

“MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES DE BAJA CAPACIDAD PORTANTE POR MEDIO DE LA APLICACIÓN DE CORRELACION DEFLECTOMETRICA”

Candidato:ING. CIP R AMÓN OVIEDO BELLOTT

LIMA, MARZO DE 2013


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PREMIO GRAÑA Y MONTERO

A LA INVESTIGACIÓN

EN INGENIERIA PERUANA

Categoría: INVESTIGACIÓN PROFESIONAL

Tema: “MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES DE BAJACAPACIDAD PORTANTE POR MEDIO DE LA APLICACIÓNDE 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


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PREMIO GRAÑA Y MONTEROCategoría: INVESTIGACIÓN PROFESIONAL

Título: MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES DE BAJA CAPACIDAD PORTANTEPOR 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 mayorincidencia e impacto en la realización de obras de infraestructura yciertamente es uno de los rubros que contribuye de manera más eficaz yeficiente en el mejoramiento de las condiciones de vida de la comunidad ala 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; losingenieros disponemos de un tiempo muy corto o restringido paraabocarnos a recopilar los logros alcanzados en la sistematización de ciertas

operaciones clave; como son por ejemplo los trabajos de explanaciones encarreteras.

La motivación principal que mueve a este trabajo es simplemente ladivulgación de avances muy consistentes y debidamente sustentados enrazonamientos teóricos, a objeto de garantizar la buena capacidad portantedel suelo de fundación de una carretera.

Durante la ejecución de trabajos de explanaciones en cortes y rellenos paraterraplenes de carreteras; casi inevitablemente se presentan sectoresdonde la subrasante presenta deficiencias puntuales de capacidad

portante; las cuales por la premura de los trabajos, deben ser subsanadasen tiempos relativamente cortos y perentorios.

Si bien, en los tiempos recientes para la elaboración de estudios se acudeal concurso de equipos modernos tales como el Dynaflect, Road Rater y eldeflectómetro de impacto (Falling Weight Deflectometer o FWD); estosresultan ciertamente onerosos o inapropiados para verificaciones cortas yexpeditivas, allí donde se constata puntualmente un déficit de la capacidadportante de la fundación. En estos casos, tradicionalmente los métodos alos que se acudían para su diagnóstico certero eran basados en laspruebas 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 mássencillo y económico como es la Viga Benkelman (VB); permite elplanteamiento de métodos combinados, de tal modo que nos posibilitenotorgar celeridad en las respuestas técnicas durante las operaciones deconstrucción.

El propósito del presente trabajo es la presentación de los resultadosrelativos al dimensionamiento expedito de los mejoramientos de subrasanteen base a la sistematización de resultados de CBR correlacionados conpruebas deflectométricas de VB de tal modo que nos permitan lacalibración estructurada de espesores de mejoramiento de subrasante.


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2.- METODOLOGIA EMPLEADA EN LA INVESTIGACION

La subrasante debe tener una capacidad de respuesta para garantizar lavida útil del pavimento, la cual debe ser conforme con los Estudios y lasEspecificaciones Técnicas del proyecto en lo referente a su grado decompactación y deflexión máxima admisible. Sin embargo, esto no secumple en algunos casos aislados o puntuales, resultando inevitableefectuar su mejoramiento.

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

Sin embargo, muy a menudo se suscita una controversia técnica sobre losespesores necesarios y suficientes de mejoramiento, ya que al serrealizada la auscultación del subsuelo, no existe un procedimiento explícito

ni una adecuada fundamentación teórica ni técnica para acatar tal o cualprocedimiento.

Este documento propone el análisis teórico-práctico para determinar losespesores adecuados de reemplazo del material no competente de lasubrasante, que no reúne las condiciones del valor mínimo de CBR, paracumplir con el diseño estructural del pavimento.

En consecuencia, en la primera parte se exponen las bases teóricas de lametodología propuesta para la sistematización de los mejoramientos decapacidad portante de subrasantes en carreteras. Posteriormente se

converge a un procedimiento practico para cumplir satisfactoriamente talcometido.

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


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2.1.- Excavación para Explanaciones

El suelo de fundación de una carretera puede estar conformado por terrenonatural en el caso de cortes o por un terraplén en el caso de rellenos. Paraambos 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 estadonatural y la conformación de rellenos para terraplenes con material decanteras, cuando las condiciones geotécnicas del préstamo lateral no sonaptas para alcanzar la calidad requerida.

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

“…aprobación, por parte del Supervisor, de los trabajos detopografía, 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 materialsuelto, se deberá escarificar una profundidad mínima de 15 cm, conformarde 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 porsuelos inestables, el Supervisor ordenará las modificaciones que

corresponden a las instrucciones del párrafo anterior, con el fin de asegurarla estabilidad de la subrasante. En este caso se aplicará lo especificado enla Sección 207 .

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

Es precisamente a este rubro que se pretende aportar y contribuir con unesclarecimiento de carácter técnico, que tiene el propósito de llenar elvacío 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 deterraplenes 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 delSupervisor ”.

http://c/Users/Ramon%20Oviedo/Desktop/EG%20-%202000/Cap%C3%83%C2%ADtulo%202-Movimiento%20de%20Tierras/seccion205.htm%2320519http://c/Users/Ramon%20Oviedo/Desktop/EG%20-%202000/Cap%C3%83%C2%ADtulo%202-Movimiento%20de%20Tierras/seccion205.htm%2320519http://c/Users/Ramon%20Oviedo/Desktop/EG%20-%202000/Cap%C3%83%C2%ADtulo%202-Movimiento%20de%20Tierras/seccion205.htm%2320519http://c/Users/Ramon%20Oviedo/Desktop/EG%20-%202000/Cap%C3%83%C2%ADtulo%202-Movimiento%20de%20Tierras/seccion205.htm%2320519


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La Subsección 207.04 añade: (…) “Los espesores de las capas aconformar en el mejoramiento deberán ser como máximo de 30 cm,exceptuando los 30 cm por debajo del nivel de la subrasante que seráconformado en 2 capas de 15 cm. En lo que corresponda deberán ceñirsea 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 losmateriales del suelo existente, o el Supervisor lo considere conveniente, pueden presentarse dos situaciones, sea mediante la estabilizaciónmecánica o combinación de suelos, estos se disgregarán en las zonas ycon la profundidad establecida en los planos, empleando procedimientosaprobados 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, encantidad tal, que se garantice que la mezcla con el suelo existente cumplalas exigencias de la Subsección 207.02 , en el espesor señalado en elProyecto o aprobado por el Supervisor.Los materiales disgregados y los de adición, se humedecerán o airearánhasta alcanzar la humedad apropiada de compactación y, previa laeliminación de partículas mayores de 7.5 cm, se compactarán hastaobtener los niveles de densidad establecidos para la corona del terraplénen la Subsección 205.12 (c) (1).(…)

b. Mejoramiento empleando únicamente material adicionado

Cuando los documentos del proyecto prevean la construcción de lasubrasante mejorada con aporte solamente con material adicionado, pueden presentarse dos situaciones, sea que la capa se construyadirectamente sobre el suelo natural existente o que éste debe ser excavado previamente en el espesor indicado en los documentos del Proyecto yreemplazado por el material de adición.En el primer caso, el suelo existente se deberá escarificar, conformar ycompactar 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 materialtotalmente adicionado implique la remoción total del suelo existente, ésta

se efectuará en el espesor previsto en los planos o dispuesto por laSupervisión en acuerdo con el procedimiento descrito en la Subsección202.08. (…)” Una innovación declarativa que introduce con relación a las EG-2000 esque 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 sustantivamentemás ordenada y mejorada en relación a las pasadas Normas EG-2000. Sinembargo, en el tema analizado y en base a la experiencia recogida, podríanuevamente ocasionar problemas de aplicación que en la mayor parte delos casos derivan en controversias técnicas entre las partes involucradasen el Proyecto; al no existir un procedimiento específicamente estipulado.


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2.2.2. Los parámetros determinantes en la respuesta de la Subrasante

El comportamiento de una subrasante generalmente depende de trescaracterísticas 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 transmitidaspor la estructura del pavimento. La capacidad de carga es función del tipode suelo, del grado de compactación y de su contenido de humedad.

El propósito del pavimento es proporcionar una superficie confortable altránsito de vehículos. Consecuentemente, es necesario que la subrasantesea capaz de soportar un número grande de repeticiones de carga sinpresentar deformaciones.

b) Contenido de humedad

El diferente grado de humedad de la subrasante afecta en formadeterminante su capacidad de carga, pudiendo además llegar a provocarinclusive contracciones y/o expansiones indeseables, especialmente en elcaso de la presencia de suelos finos.El contenido de humedad es afectado principalmente por las condicionesde drenaje, elevación del nivel freático, infiltración etc. Una subrasante conun elevado contenido de humedad sufrirá deformaciones prematuras anteel 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 deplasticidad y su contenido de humedad. Cualquier pavimento construidosobre estos suelos, si no se adoptan las medidas pertinentes, tenderán adeformarse y/o deteriorarse prematuramente.

Para evitar que las deflexiones admisibles en la subrasante excedan loslímites establecidos, debe cumplirse que la presión transmitida por la cargase 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 delnúmero de repeticiones de carga, las deflexiones máximas esperadas y elCBR 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 aproporcionar una correlación práctica para el mejoramiento cualitativo desubrasantes en la construcción de pavimentos.

Primeramente, se han recopilado casi en forma irrestricta todas las

investigaciones realizadas y las expresiones consecuentes que establecenla correlación más plausible entre los diferentes valores de CBR y suMódulo Resiliente “MR”.


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Seguidamente se ha realizado la calibración de las deflexionesencontradas con VB en registros previos y posteriores a mejoramientosrealizados con dos espesores típicos: 40 y 70 cm. Esta calibración hapermitido encontrar los factores de ajuste entre las deflexiones teóricasesperadas a través del modelo de Ahlvin y Ulery y las deflexionesefectivamente registradas en los ensayos deflectométricos con VB.

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

En resumen, para mejorar la capacidad estructural de una subrasante queestá llegando al límite de su estabilidad aceptable, conceptualmente serecurre a medir su desplazamiento vertical (deflexión) bajo una cargaestándar predeterminada que es la VB. Esta medición se hace conociendola calidad y los espesores del material de mejoramiento. Con estasdeflexiones se infieren los valores de los módulos resilientes de esosmateriales, lo cual nos conduce a determinar en forma precisa losespesores necesarios para no rebasar la deflexión máxima permisible.

El procedimiento en sí, consiste en determinar una adecuada combinaciónde espesores de capas y calidad de materiales del sistema suelo natural-subrasante (E,µ y h) para que los esfuerzos y deformaciones causados porlas solicitaciones a que se someterá su estructura, permanezcan dentro delos 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 deesfuerzos, se aplicó el modelo propuesto por el matemático francés JosephV. Boussinesq en 1885, que determinó el estado de esfuerzos en una masade suelo a cualquier profundidad. El citado trabajo se basó en una cargaconcentrada aplicada en un semiespacio lineal, idealizado como elástico,isótropo y homogéneo.

Esta solución fue por mucho tiempo la única disponible, hasta que en 1945Donald M. Burmister propuso una teoría que se podía aplicar a estructuras

de pavimentos, basada en la teoría de Boussinesq pero que tenía encuenta los estratos y las propiedades mecánicas de los materiales queconforman la masa de suelo, para calcular el estado de esfuerzos de ésta acualquier profundidad.

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

Los espesores y las profundidades de mejoramiento de las subrasantesameritan 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 presióntransmitida y el esfuerzo resultante en la subrasante.


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En el gráfico siguiente se presenta la variación de la presión debajo de unarueda doble cargada con el eje equivalente de 8.2 tn. aplicando la teoría deBoussinesq.La modelación de la solución inicial basada en esa teoría semuestra 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 espesortotal de la estructura del pavimento que alcanzaba los 44 cm.

En el gráfico anterior se advierte que las presiones transmitidas desde lasuperficie (σ0=5,64 kg/cm

2), se disipan muy rápidamente. A unaprofundidad 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. Paraun vehículo con movimiento dinámico, ciertamente que esta presión serámenor. 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)

z (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

P r o f u n d i d a d ( C m )


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a esta profundidad un valor referencial inferior al 12% de la presión decarga 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 definidasprincipalmente 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 deElasticidad (E) ya que ambos parámetros tienen la misma definición entérminos de la Teoría de la Elasticidad. La diferencia conceptual estriba enque el MR se determina en un ensayo con carga dinámica repetida, quesimula los efectos del tráfico en el interior de un pavimento. El móduloresiliente conceptualmente es el comportamiento elástico final del suelo.

La norma AASHTO T-274 estandariza en laboratorio el ensayo del móduloresiliente. La forma más factible en obra sería a través del ensayo de

compresión edométrica, ensayo triaxial dinámico y/o ensayo de placa decarga. En condiciones reales de campo, resulta, de todos modos muycomplicado y anti-económico obtener confiablemente estos valores.

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

Por lo tanto, se ha recopilado en toda la bibliografía técnica disponible, lagran mayoría de las correlaciones vigentes para el efecto. Prácticamente latotalidad de las expresiones se basan en la conocida correlaciónestablecida 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 ycerteros resultaron siendo las ecuaciones de la AASHTO tanto para suelosfinos como para suelos granulares.

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

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


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La fórmula es la siguiente:

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

Δ= Asentamientoµ = Relación de Poissonp = Presión aplicada

a = Radio del área cargadaE =Módulo de elasticidad

Considerando un asentamiento característico de 0.1 pulgada; un valor deµ=0.40; radio equivalente a un área circular cargada de 3 pulg2 y la presiónaplicada 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 delvalor 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 unparámetro indicativo de la capacidad de soporte de un suelo.

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

Según las Especificaciones Técnicas, la compactación debe efectuarse auna “humedad óptima”, lo cual en la mayor parte de los casos en esa zonano era posible de efectuar con el material de la propia subrasante, en razóna que los suelos de esa región amazónica se hallaban con un contenido dehumedad siempre mayor al óptimo. De ahí que, algunos suelos aunteniendo un CBR superior al de diseño, requieran ser mejorados debido aque 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, paradeterminar además su humedad óptima. Los resultados obtenidosconfirmaron que en todos los casos la humedad natural era muy superior ala humedad óptima.

El comportamiento de la subrasante es función de la humedad y densidad,asociada a las condiciones ambientales del sitio. En suelos de bajacapacidad portante donde los valores de humedad alcanzan la condiciónsaturada y los valores de densidad de campo están muy por debajo de ladensidad de compactación, los valores de los módulos elásticos realmenteson muy bajos. Se estudiaron las siguientes correlaciones para determinar

en base a los valores de CBR los módulos resilientes correspondientes:


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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 20,00040 12833 0,120 17,00030 9625 0,110 15,00020 35000 220257 60002 51102 39000 13,201 928 6418 0,090 12,50019 33250 209244 57002 48547 37050 12,979 912 609718 31500 198232 54002 45992 35100 12,745 896 577617 29750 187219 51002 43437 33150 12,497 879 545516 28000 176206 48002 40882 31200 12,235 860 513515 26250 165193 45002 38327 29250 11,956 841 4814 0,089 11,900

14 24500 154180 42002 35772 27300 11,658 820 449313 22750 143167 39002 33217 25350 11,337 797 417212 21000 132154 36002 30662 30681 23400 10,991 773 3852 0,084 9,00011 19250 121142 33002 28107 28126 21450 10,614 746

10 15000 1034 17500 110129 30002 25552 25572 195009 13500 931 15750 59694 27002 22997 23017 175508 12000 827 14000 54285 24002 20442 20463 156007 10500 724 12250 48876 21002 17887 17909 136506 9000 621 10500 43467 18002 15332 15354 0,071 9,0005 7500 517 8750 38058 15002 12777 12800 0,050 7,0004 6000 414 7000 32649 12002 10222 102453 4500 310 5250 27240 9002 7667 7691 0,050 5,0002 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 1975FORMULA Mr = 3000*CBR^0,65 (psi) Consejo Sur Africano de Investigaciones Científicas eindustrialesCSIR

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


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Por lo tanto, la determinación de la capacidad portante de los suelossubyacentes se efectuó en base a los resultados de los numerososensayos CBR realizados; pudiendo ratificarse que el problema radicaba enque la matriz del suelo subyacente (en su mayor parte conformado porlimos y arcillas) se encontraba con un elevado contenido de humedad y conbajos índices de consistencia. Los valores de CBR “in situ” de la matrizarcillosa se determinaron en base a la calificación cualitativa y cuantitativaexpresada en la siguiente tabla:

Tabla N° 2CRITERIOS 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 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 valormáximo 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 deconsistencia 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 absolutamentenecesarios 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, seutilizaron las fórmulas desarrolladas por los investigadores Ahlvin y Ulery(ver el Anexo Nº 1) para determinar las deflexiones verticales bajo un áreacircular cargada, que en este caso viene a ser el área proyectada de unallanta de camión con 80 psi de presión (equivalente a 5,64 kg/cm2), quecorresponde 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 de8.2 toneladas, se efectuó a través de ensayos deflectométricos con laaplicación de la VB directamente sobre la subrasante para el registro de lasdeflexiones resultantes.


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Según los autores aludidos; la fórmula general de la deflexión vertical es lasiguiente:

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=0resultan A=1.00 y H = 2.00, por tanto se tiene lo siguiente:

Tabla N° 3DETERMINACION 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 sondel orden de 102 1/100mm. para un CBR de 9 % y estas deflexiones sevan 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 fuerondeterminadas mediante la aplicación del Modelo “Ecoroute” desarrollada enla Ecole nationale des ponts et chaussées” de París-Francia.

Las deflexiones máximas admisibles para cumplir con las exigencias deltráfico 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 delnumeral anterior, aplicando la teoría de Burmister, desarrollada paraesfuerzos 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.


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

La calibración fue realizada aplicando los resultados de la formula teórica alas 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 delmaterial 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° 4CALIBRACION CON VB DE LOS PARAMETROS PARAMEJORAMIENTOS DE 40 Y 70 CM. EN SUBRASANTES

CBRmejoram. Mr

(psi)

E1

(Kg/cm2)E2/E1

z

(cm)z/a F2

"k" deajuste

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/cm ).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


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3.1.3.- Sistematización de las Investigaciones de Campo realizadas

a) Marco conceptualEn los trabajos de evaluación de la capacidad portante de subrasantes,tradicionalmente se ha recurrido mediante la auscultación con calicatas, ala toma de muestras para su ensayo en laboratorio y al análisis de cadauno de sus estratos componentes por separado, para establecer lascaracterísticas estructurales del mismo. Esta metodología es cara, lenta,disturba las propiedades singenéticas del suelo y es por ello que se laconsidera como "destructiva".

Es por ello que se ha optado reemplazarla por deflectometría con VB yaque la alternativa aplicada es "no destructiva" y se basa en losrelevamientos deflectométricos de campo y la posterior interpretación delas deflexiones registradas en gabinete. Las deflexiones reflejan unarespuesta integral del suelo bajo un eje estándar de 80 kN. Su medición essimple, rápida, económica y sobre todo es "no destructiva", es decir, no sealtera el equilibrio ni la integridad del sistema.

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

La metodología de evaluación estructural, por métodos no destructivos, sepuede considerar como un proceso de control invertido ya que utiliza larespuesta del sistema (deflexiones) para definir sus característicasestructurales, lo cual es opuesto a un proceso normal de diseño.

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

En consecuencia, una vez realizados los relevamientos deflectométricoscon VB, pueden usarse como datos de insumo para establecer lasnecesidades de refuerzo de la subrasante.

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

En las tablas 5 y 6 de las páginas siguientes se muestran los datoscorrespondientes al tramo de prueba de 560 metros entre las progresivaskm. 324+570 al km. 325+130 del Tramo 3. En estas tablas se registran losdatos de los ensayos deflectométricos realizados antes del mejoramiento, yque luego se confrontan con los ensayos deflectométricos efectuadosdespués de haber realizado los mejoramientos aludidos.


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Tabla Nº 5ENSAYOS DEFLECTOMETRICOS ANTES DE MEJORAR LA SUBRASANTE

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

NºProgr.

LadoDeflexiones (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

V B

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 ( M e j o r a m i e n t o )

m .

CBR's (%)

ALTURA DE MEJORAMIENTO

Series1


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Tabla Nº 6

ENSAYOS DEFLECTOMETRICOS EN TRAMO DE SUBRASANTEMEJORADA

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

NºProgr.

LadoDeflexiones (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 0.701 324+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 0.701 324+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

V B

CBR's (%)

Series1


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3.2.- CARACTERIZACION DE LAS SUBRASANTES MEJORADAS

Adicionalmente a las deflexiones registradas para los mejoramientos yarealizados, esa información deflectométrica resultó muy valiosa no solopara la calibración de las deflexiones en obra, sino tambiénfundamentalmente han servido para correlacionar las resiliencias obtenidasmediante la Viga Benkelman (Eo) con los CBR’s y los espesores demejoramiento en la subrasante.

Habiéndose realizado los ensayos de laboratorio a las muestrasprovenientes de la subrasante mejorada, a partir de este sectorrepresentativo se pudo establecer lo siguiente:

a) Como es natural para este tipo de suelos, el límite líquido casi en todoslos casos era mayor que la humedad natural. El hecho más importantees que la humedad natural era muy cercana o inclusive llegaba aigualarse al límite líquido (ver el gráfico siguiente).En tales condiciones,

es obvio que resultaba imposible poder alcanzar el grado decompactación exigido en las Especificaciones Técnicas.

b) La densidad natural de los suelos era baja como consecuencia de suelevado contenido de humedad, en tales condiciones su capacidad desoporte (CBR) resultaba naturalmente baja (ver el gráfico siguiente).

5.0

15.0

25.0

35.0

45.0

55.0

3 0 0 + 5 0 0

3 0 1 + 0 0 0

3 0 1 + 5 0 0

3 0 2 + 0 0 0

3 0 2 + 5 0 0

3 0 3 + 0 0 0

3 0 3 + 5 0 0

3 0 4 + 0 0 0

3 0 4 + 5 0 0

3 0 5 + 0 0 0

3 0 5 + 5 0 0

3 0 6 + 0 0 0

3 0 6 + 5 0 0

3 0 7 + 0 0 0

3 0 7 + 5 0 0

3 0 8 + 0 0 0

H U M E D A D ( % )

PROGRESIVA (m)Limite Liquido Limite Plastico Humedad Natural


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c) Los índices de consistencia de los suelos correspondientes a su matrizlimo-arcillosa eran en su gran mayoría menores a 0.70 (ver el gráficosiguiente), 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 considerarsomeramente 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 unade las alternativas consideradas:

Tabla N° 7

ALTERNATIVAS GENERALES DE MEJORAMIENTODE SUBRASANTES NO COMPETENTES

Alternativa Ventajas Desventajas

Disminucióndel contenidode humedad

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

económico, al no serestrictamentenecesario sureemplazo.

Requiere tiempo considerablepara el secado, lo que afecta el

ritmo de avance de lostrabajos, además resultariesgoso pues se tendrían

trechos abiertos expuestos alos cambios climáticos de una

región muy lluviosa.


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De esta rápida comparación, ‒ que habitualmente se repite en casi todotipo de obras de esta naturaleza ‒ resulta claro que la estabilizaciónmecánica mediante el reemplazo del material no competente por otro demejores características, resulta la más conveniente, tanto en términoseconómicos como en términos de ejecución de obra.

4.2.- MEJORAMIENTO DE SUBRASANTE EN FUNCION A CORRELACIONDEFLECTOMETRICA

4.2.1. Trabajos previos de Estabilización Química en el Tramo 2I de Conirsa

El paquete estructural del pavimento correspondiente al Tramo 2 deConirsa (entre Iñapari-Puente Inambari) fue conceptualizado en base aestabilización química mediante capa sub-base de suelo-cal y capa basede suelo-cemento. Este diseño fue realizado fundamentalmente debido a laescasez 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 2007un reporte titulado “Metodología alternativa de aprovechamiento del soporteexistente con la evaluación estructural previa del pavimento en lascondiciones actuales”. En ese trabajo se determinaron los espesoresnecesarios de reemplazo localizado con suelo de CBR mínimo de 30% eincorporación de cal al 2% en peso en diferentes espesores deestabilización química, para bajar la deflexión al valor admisible de 1071/100 mm.

Si bien esa solución era aplicable a esa región por la carencia demateriales granulares, sin embargo es necesario admitir que talprocedimiento es completamente singular y atípico ya que su práctica noresulta replicable en regiones donde los mejoramientos en su mayor parte

pueden y suelen realizarse con suelos granulares.

Estabilizaciónquímica (cal o

cemento)

Se logra un ahorro alevitar el transporte de

material demejoramiento.

Costo antieconómico; ademásde que el avance es lento

debido a que debe trabajarsecon equipamiento especial.

Uso deGeosintéticos(geomalla)

Menor o nulo espesor

de transporte dematerial de

mejoramiento.

La solución resultaba más

antieconómica que la anterior,además de que no se tenía

previsto este insumo.

Reemplazode material

(estabilizaciónmecánica)

Rápido y económicodebido a la

disponibilidad dematerial granular en la

región.

Prácticamente ninguna.


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La metodología de los espesores de mejoramientos realizados en función alas deflexiones máximas de ese proyecto se muestra en el siguientecuadro:

Tabla N° 8ACCIONES 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 =30% y ejecutar la subbase

150 mm/100 < D0 Característico< = 175 mm/100 42 cm

Tratar 22 cm del suelo local con

2% de cal y elevar la rasante en

20 cm con material de CBR

>=30% y ejecutar la subbase

175 mm/100 < D0 Característico< = 200 mm/100 50 cm

Tratar 30 cm del suelo local con

2% de cal y elevar la rasante en

20 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 materialde CBR >= 30%

Como se reportó anteriormente, las acciones correctivas propuestas serealizaban luego de evidenciar mediante la VB la inestabilidad de algúnestrato subyacente, y seguidamente se procedía con el mejoramiento enbase 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 elprocedimiento constructivo, de tal modo que sea aplicable a zonassimilares 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 lasdeflexiones teóricas previsibles entre dos capas en la interfase del sistemasuelo-pavimento: la primera con espesores variables de material demejoramiento con CBR mínimo de 30% y la capa subyacente del suelonatural con CBR variable desde 3% hasta 10%. Como resultado de estos

cálculos, se calcularon analíticamente los espesores necesarios derefuerzo para obtener en cada caso una deflexión máxima admisible de 921/100 mm. a nivel de la subrasante mejorada.


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Tal como se explicó en el numeral 3.1.2, recordemos que la fórmula de ladeflexión vertical para dos capas que fuera propuesta por Burmister es lasiguiente:

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/cm

2

Con estos datos, se verificó en cada caso que la solución de mejoramientoa través de la incorporación de material con CBR min. del 30% verifiqueque la deflexión resulte la máxima esperada, aplicando los coeficientes deajuste 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 enbase a la determinación previa de la deflexión máxima admisible en

subrasantes con CBR inferior al 10%.

Tabla N° 9MEJORAMIENTO SISTEMATIZADO DE SUBRASANTE NO COMPETENTE

MEDIANTE REEMPLAZO DE MATERIAL

CBRsuelonatural

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/cm ).a = Radio de contacto (10.79 cm).

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


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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 lagraficación de los valores correspondientes a los diferentes CBR’s en elrango de 3% al 10% con respecto a los diferentes valores de espesores demejoramiento realizados y la aplicación de las deflexiones teóricasesperadas.

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

La correlación realizada se muestra en la Tabla Nº 10 de la siguientepágina. Para efectos prácticos se expresó mediante una regresión linealcuya ecuación es la siguiente:

y = -10.417x + 108.33

En base a los datos que arrojaba esta regresión, se pudieron determinarinequívocamente los espesores de mejoramiento correspondientes.

4.2.4. Procedimiento de correlación de deflexiones de subrasante naturalcon 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 ylas deflexiones correspondientes al suelo natural de fundación subyacentea la estructura del pavimento, pudieron ser sistematizados a través de ladeterminación de espesores de material de mejoramiento con un CBR nomenor al 30% debidamente sustentados en previas pruebas de calibracióny deflexiones máximas registradas en ese tramo de prueba.

La metodología teórica anteriormente descrita proporcionaba espesores enestricta correspondencia con los valores introducidos. Así por ejemplo, losvalores resultantes en los extremos de la regresión lineal de la Tabla Nº 10eran 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 enla ejecución de obra, considerando que una aproximación al centímetro yaes bastante exigente para los propósitos que se persiguen.

Considerando las incertidumbres implícitamente presentes en todainnovación de ejecución, se tomaron valores redondeados que puedanresultar 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.


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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 capacon 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

E s p e s o r d e h

( c m )

C.B.R (%)

Grafico para espesores de subrasante mejorada

CAPA BASE

CAPA SUB-BASE

SUB RASANTE MEJORADA

h

TSB

CBR min = 30


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Tabla Nº 11ESPESORES DE MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES DE BAJA CAPACIDAD PORTANTE

VALORESDE CBR (%)

RANGO DE DEFLEXIONESCARACTERISTICAS

Espesor requerido de Acciones definidas paraSubrasante mejorada garantizar la deflexión máxima

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

CBR>30%

4 185 mm/100 < D0característico30%

5 165 mm/100


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5.- CONCLUSIONES

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

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

En apoyo de esta primera conclusión, por ejemplo, los reglamentosviales estatales en EE.UU. recomiendan que el valor CBR de la

subrasante natural del suelo de fundación deba ser como mínimo entre 8a 10%. Caso contrario, se estipula primero estabilizar el suelo naturalsubyacente antes de construir la estructura del pavimento.

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

De todas las alternativas factibles para efectuar el mejoramiento de

subrasantes, la más económica resulta incuestionablemente elreemplazo del material inadecuado, especialmente en las regionesdonde se tiene disponibilidad de este tipo de material a un costorelativamente económico.

Considerando la imposibilidad técnica de compactar materiales sobresuelos con CBR’s deficitarios, la capa de mejoramiento de la subrasantedebe conformarse ‒según las experiencias realizadas‒ con materialesprovenientes 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 hanpermitido definir nítidamente la profundidad y consecuentemente elespesor necesario para lograr cada mejoramiento.

La metodología aplicada resumidamente fue la siguiente: en base a unaapreciable cantidad de ensayos de CBR realizados como parte delprocedimiento rutinario en los trabajos de campo, se realizaron susensayos deflectométricos respectivos con VB, de tal modo que sirvió ados propósitos: a) calibrar las deflexiones para espesores conocidos de0,40 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.


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Es conocido que existen dos enfoques para el análisis del cálculoinverso para identificar las propiedades de los materiales. El retroanálisis inverso y el retro análisis directo. El retro análisis inverso adoptaun “criterio de error de ecuación” que minimiza los errores de la ecuaciónde respuesta para estimar las deflexiones. El retro análisis directo es

una aproximación basada en minimizar el “error de salidas deresultados”, por ejemplo la diferencia entre deflexiones medidas ycalculadas.

Precisamente, se ha acudido a este último enfoque para plantear unmodelo sencillo ya que tiene la cualidad de clarificar y nos ayuda aresolver el funcionamiento del sistema cuando la presión ejercida por lasruedas es tan alta que no puede ser soportada por el suelo subyacente.Como la estructura del pavimento reparte la carga para llevarla lo másmitigadamente posible a la subrasante, entonces la solución al problemaconsistió en determinar el espesor que logre disipar la cantidad de

esfuerzo transmitido.

Académicamente, se conoce que la reología de los materiales revelaque su comportamiento es ciertamente viscoelástico, en función delestado de esfuerzos, tiempo de aplicación de las cargas y de latemperatura. De la misma forma, se admite que sus materialesgranulares constituyentes responden a las cargas, en función a sudensidad y humedad y, se sabe que su comportamiento tampoco eslineal ya que depende en gran medida de las características del suelonatural subyacente.

Sin embargo, por simplicidad de método, para la aplicación de estametodología, se asume un comportamiento lineal entre los esfuerzos ydeformaciones, por lo que tácitamente se acepta que esos materialestrabajan dentro de su rango elástico.

6.- POSIBILIDADES DE APLICACION

En la construcción de carreteras, habitualmente los métodos demejoramiento de subrasantes, son en su mayoría empíricos; es decir,que la experiencia previa del Ingeniero juega un rol muy importante. Serequiere 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 sepresentan generalmente de consistencia blanda por el exceso dehumedad, lo cual no permite su compactación hasta alcanzar ladensidad deseada. De este hecho, se deduce válidamente que, en lostrabajos de explanaciones para subrasantes, ciertos suelos nonecesariamente son reemplazados porque se traten de suelos nocompetentes, sino por su falta de suficiente consistencia debido a lapresencia de humedad excesiva.

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


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oportunamente por los estudios geotécnicos. Esto suele ocurrirespecialmente durante la formulación del Proyecto, ya que no resultaposible detectar superficialmente todos los sectores puntuales querequerirán mejoramientos, especialmente cuando las prospecciones desuelos se efectuaron en forma masiva y expeditiva.

Antes, era práctica común determinar la falta de capacidad portantemediante la realización intensiva de ensayos de CBR. Sin embargosomos conscientes que la realización de estos ensayos exige un tiemporeferencial no menor de 4 días solo para la prueba de laboratorio, en elmejor de los casos. A esto se suma el hecho de que al ser un valordeterminístico (fijo) que expresa el potencial que tiene el suelo o elmaterial respecto a su resistencia, entonces es un parámetro que debeestar condicionado al completo entendimiento de sus limitaciones ydebería ser considerado meramente solo como un valor orientador.

Tomando en cuenta todos estos argumentos complementarios, seconcluye nítidamente que las posibilidades de aplicación soninmediatas y con una pequeña dosis de inferencia analítica se puedehacer extensiva a cualquier tipo de suelo y/o proyecto carretero enconstrucción. Esta investigación viene a llenar una sentida necesidad delos ingenieros de carreteras y sabrá ser adecuadamente apreciado porlos colegas concernidos en esta temática.

Sin embargo, es necesario reconocer que a pesar de los esfuerzosdesplegados para recopilar el estado actual del conocimiento científicode 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 delaboratorio y posteriores verificaciones de campo; es una tareapendiente que podría favorecer nuestro mayor conocimiento del mismo.

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

Tomando en cuenta que los trabajos de la partida de subrasante seefectúan generalmente de una forma masiva, resulta necesario efectuarlos trabajos de mejoramiento en una forma rápida, sencilla y eficaz,aplicando esta metodología y validando con los registros de campo, aobjeto de inferir la capacidad portante del suelo de fundación mediantedeflexiones de VB y definir los espesores de mejoramiento a partir de loscriterios 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 lasubrasante a utilizar como una adecuada respuesta en relación a la

capacidad resistente de los suelos.


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Reflexiones finales

Existen actualmente una apreciable cantidad de trabajos de correlaciónrealizados entre ciertos métodos convencionales y alternativos talescomo 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 delmejoramiento de subrasantes en base a correlación entre CBR yensayos deflectométricos con VB, de tal modo que coadyuve en laceleridad de los trabajos de campo y garantice la solvencia técnica delas respuestas ofrecidas. Naturalmente que en la emulación de otrosestudios que se puedan emprender a futuro, sería deseable de contarademás con toda la sistematización y el grado de sofisticación que sedesee añadirle, para afinar sus resultados.

Esto es posible, tomando en cuenta la gran capacidad de lasherramientas computacionales actuales, que con una adecuadasistematización de sus registros de campo, se puede mejorarsustantivamente las analogías con otros métodos equivalentes paraperfeccionar los vínculos entre las deflexiones y los mejoramientossubsecuentes.

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

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

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

Las bases están dadas a través de la presentación de estos resultados ysolo resta profundizar la validez y confiablidad de esta nuevaherramienta desarrollada.

Lima, marzo de 2013.


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ANEXOS


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ANEXO DE BIBLIOGRAFIA UTILIZADA

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