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3.3 Evaluación del pavimento

3.3.2 Evaluación estructural del pavimento

3.3.2.1 Ensayo de materiales e inspección visual

La inspección visual se desarrolla en dos etapas descritas a continuación:

Inspección visual inicial: Permite obtener una inspección general del proyecto así como definir los límites

de secciones homogéneas, clasificando de acuerdo a los niveles semejantes de deterioro. Generalmente

este proceso se realiza en un vehículo conduciendo a baja velocidad a lo largo de toda la vía (Soengas,

González, & Botasso, 2002). En lo que respecta a la determinación de los materiales que conforman la estructura vial y sus propiedades geomecánicas se pueden realizar pozos de exploración, comúnmente llamados calicatas; mediante las cuales se pueden realizar exploraciones con ensayos in situ; exploración visual; pruebas de laboratorio.

- La exploración visual permite identificar cada capa que forma parte de la estructura vial, determinar espesores de capas, estado real de agrietamiento.

- Los ensayos in situ permite obtener datos de densidad mediante la aplicación de ensayos DCP (Penetrómetro Dinámico de Cono) o mediante el uso de densímetros nucleares. Adicional se pueden utilizar ensayos de prueba de placa para la determinación la deformabilidad del terreno y la capacidad portante de las explanaciones.

- Los ensayos de laboratorio permiten determinar propiedades mecánicas de los materiales, entre ellos se pueden nombrar: contenido de humedad, granulometría, plasticidad, capacidad de soporte.

Los ensayos generalmente se realizan en la trayectoria de rueda del carril de mayor tránsito, sin embargo en caso de ser necesario se pueden ubicar en otros sitios que se consideren necesarios (sectores con un gran deterioro o fallas muy importantes). La profundidad de los ensayos oscilan entre los 0.70 a 1.00 metros obteniendo densidades para cada capa, para lo cual se obtiene la estratigrafía del de la estructura y se obtienen muestras para clasificación. Adicional se recomienda la extracción de núcleos para la

determinación de espesores de losa y resistencia a la compresión del hormigón (Soengas et al., 2002).

3.3.2.2 Ensayos no destructivos:

Generalmente, la medición del estado de un pavimento existente requería de la aplicación de procesos destructivos en la vía, lo que alteraba el equilibrio del sistema pavimento-subrasante. Sin embargo, a través de nuevas tecnologías o también llamados instrumentos de última generación que aplican técnicas para ensayos de alto rendimiento, conocidas como pruebas no destructivas

(NonDestructiveTest, NDT), se ha mejorado la auscultación de las vías (Avila, Albarracín, & Bojorque,

2015). Los ensayos no destructivos se fundamentan en el análisis de las deflexiones medidas en la superficie de los pavimentos, y se basa en que la curva de deflexiones tiene valiosa información sobre las características estructurales pavimento – subrasante, a través del retro cálculo (proceso de diseño inverso).

Como se explicó anteriormente la deflexión es una medida de gran importancia para la evaluación estructural de los pavimentos y se define como la medida de las deformaciones elásticas que experimenta un pavimento al paso de una carga en función del tipo, estado del pavimento. La técnica de deflectometría permite obtener deflexiones en varios puntos sobre el pavimento por lo que ayuda a

definir completamente la caracterización de las deformaciones conocido como cuenco de deflexiones

como se indica en la Figura 3.3 (Escobar, García, & Guzmán, 2007).

Figura 3.3 Esquema ideal del comportamiento del cuenco de deflexiones (Gomez, 2015).

Para vías de un solo carril se deben tomar las medidas de deflexiones en el borde externo, y adicionalmente obtener deflexiones en áreas de pavimento deterioradas, así como en esquinas, grietas y juntas. Mientras que para vías de dos carriles se debe realizar la medición de las deflexiones en el borde exterior, a ambos lados de la línea central, para determinar la capacidad de transferencia de carga

(Morales, 2004); de acuerdo a ASTM D469 se sugieren en 3 niveles de muestreo:

Nivel 1: Los ensayos se realizaran a intervalos de 200-500 m; por cada sección uniforme con un mínimo de 5 a 10 ensayos para asegurar una muestra estadísticamente significativa. Para pavimentos rígidos simples con juntas se ubicará en el centro de la losa, para medir la eficiencia en la transferencia de carga, los ensayos en las juntas a evaluarse debería ser de al menos el 5% de todas las losas.

Nivel 2: Cuando el proyecto requiere realizar posibles rehabilitaciones, los ensayos se realizaran a intervalos de 25-200 m; por cada sección uniforme se recomienda un mínimo de 10 a 20 ensayos, se recomienda trabajar con el 25% de las losas de concreto para medir la eficiencia de la transferencia de carga.

Nivel 3: Es un análisis más detallado en donde se debe analizar zonas con alta deflexión o detección de huecos bajo los pavimentos de hormigón hidráulico; los intervalos van de 3 a 25 m y se realizan en ambas huellas de la pista tanto externa como interna. Se recomienda ensayar todas las juntas conforme se ensaya el centro de losa, grietas y juntas cercanas a la misma.

La determinación del cuenco de deflexiones se fundamenta en tres parámetros básicos (deflexión máxima normalizada, área e índice de curvatura de la superficie), que ayudan a generar una visión y condición de homogeneidad del proyecto, los cuales son (Escobar et al., 2007):

o La deflexión máxima normalizada: compete a la deflexión obtenida por el sensor ubicado bajo

el plato de carga y está normalizada mediante la ecuación 3.5 (Escobar et al., 2007):

𝑑

𝑜 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎

= 𝑑

𝑜

𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐴𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎

𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎 Ecuación 3.5

Carga Normalizada: 40KN.

Con esta normalización se pueden evaluar tramos sin que tenga influencia la variación de cargas entre

o Área: provee una estimación de la rigidez relativa de la sección del pavimento.

o Índice de curvatura de la superficie: refleja la rigidez relativa de las capas superiores de un pavimento.

De igual manera existen tres tipos de equipos para determinar las deflexiones del pavimento según metodologías no destructivas las cuales utilizan cargas estáticas, vibratorias o de impacto. Para la determinación de deflexiones y módulo de reacción de soporte de la vía Zhud – Biblián se realiza las mediciones con el deflectómetro de impacto (FWD).

Equipos de medición de deflexiones por medio de cargas de impacto Deflectómetro de Impacto (Falling Weight Deflectometer)

El más común es el Deflectómetro de Impacto o Falling Weight Deflectometer (FWD) se aplica un impulso de carga de corta duración para simular el paso de una rueda móvil a alta velocidad, a través de una masa suspendida que se eleva y luego se deja caer sobre una placa que se ha situado en la superficie del pavimento. Al variar el peso y la altura de caída se pueden generar diferentes magnitudes de cargas de impacto y duración, semejantes a las de una carga real del tránsito. A continuación se recoge el conjunto y se traslada al siguiente punto de medición.

El cuenco de deflexión se genera mediante la obtención de la deflexión en el centro de la placa y a diferentes distancias, las deflexiones obtenidas son medidas mediante el uso de geófonos en milésimas de milímetros (µm) micrómetros. La deflexión obtenidas por los sensores más distantes pertenecen a la capas inferiores de la estructura vial (subbase y subrasante), mientras que la capacidad estructural del pavimento en conjunto es obtenida en el punto de acción del plato de carga.

Los datos obtenidos por el deflectómetro de impacto FWD pueden ser analizados de dos maneras: la primera mediante la utilización directa de los datos de deflexión realizando comparaciones relativas entre tramos de pavimentos y para determinar capacidad resistente del pavimento; mientras que la segunda obtiene las características estructurales del pavimento mediante el retro cálculo o cálculo inverso, siendo ésta la aplicación más importante del deflectómetro de impacto FWD, registrando el cuenco de deflexión utilizando la respuesta del sistema (pavimento-subrasante) para establecer sus características estructurales. El uso del FWD permite el uso de varias aplicaciones, entre las más importantes se encuentran: eficiencia de transferencia de carga de los pasadores de las losas, determinación de

secciones homogéneas, presencia de zonas huecas debajo de las losas (Escobar et al., 2007).

Ventajas del uso del FWD

 Obtenemos la deflexión máxima central y el cuenco de deflexiones debido a que la carga aplicada en el pavimento representa de mejor manera la solicitación que los ejes pesados a altas velocidades ejercen sobre el pavimento.

 El deflectómetro de impacto nos permite realizar mediciones de hasta 10 puntos ubicados a distancias entre los 20 cm hasta los 1.8 m, tomados desde el punto central de aplicación de carga, simulando el paso de una llanta a un promedio de velocidad de 60 a 80 km/h, con lo cual se puede realizar un estudio de todas las capas de pavimento mediante el cálculo inverso (retro cálculo). Mediante el cuenco de deflexiones se puede interpretar si los daños en el pavimento

se ubican en su estructura o en la subrasante del pavimento (Escobar et al., 2007).

 Pruebas estructurales automatizadas y rápidas aplicables a los pavimentos.

 Determina la capa de falla, en lugar de simplemente determinar la capacidad de resistencia de carga.

 Control de calidad de pavimentos nuevos (QC/QA).

 Compara una amplia gama de opciones de rehabilitación, incluyendo fresados y reciclados, en lugar de simplemente aplicar sobrecapas.

 El uso del Deflectómetro de Impacto FWD (Falling Weight Deflectometer) proporciona datos estructurales precisos, reproducibles y repetibles.

 El monitoreo automatizado y en tiempo real de las celdas de carga, los geófonos y las variaciones de la información garantizan una alta calidad de los datos recopilados.

 Utiliza el análisis empírico-mecanicista aplicable a la mayoría de las estructuras de pavimento.

 El Deflectómetro de Impacto FWD se utiliza en todo el mundo, desde los desiertos más calientes y secos, hasta los trópicos húmedos y las regiones más frías.

La Figura 3.4 nos presenta un deflectometro de impacto FWD de la marca Dynatest.

Figura 3.4 Deflectometro de impacto Dynatest.

Para la evaluación estructural de la vía Zhud – Biblián se obtienen parámetros de deflexiones y módulos de resorte mediante el uso del deflectómetro de impacto FWD modelo PRIMAX 2100, el cual permite además la determinación de secciones homogéneas y la evaluación de la eficiencia de la transferencia de carga de las losas. El procedimiento utilizado para la presente investigación se detalla a continuación:

Secciones homogéneas

Buena parte del éxito de la rehabilitación del pavimento reposa en la correcta definición de unidades de diseño estadísticamente homogéneas. Para delimitarlas se basa en los antecedentes históricos de la calzada, la inspección del estado superficial del pavimento y el análisis de algunas variables que, a través de medidas numéricas, permitan conocer la condición real del pavimento. El establecimiento de tramos homogéneos a través de estas últimas se puede efectuar de manera subjetiva, realizando un dibujo que muestre el comportamiento de la variable medida a lo largo del proyecto o se puede realizar de una manera más objetiva mediante procedimientos analíticos, entre los cuales se puede citar el de las “Diferencias Acumuladas”, descrito en el apéndice J de la “Guía de diseño de pavimentos (AASHTO, 1993)”. La Figura 3.5 muestra un ejemplo de la obtención de secciones homogéneas en el tramo 3 de la vía Zhud – Biblián utilizando el deflectómetro de impacto mediante el cálculo de deflexiones.

Figura 3.5 Esquema ideal del comportamiento del cuenco de deflexiones.

Como se observa en la Figura 3.5 la gráfica corresponde a las deflexiones tomadas en los sitios de ensayo de cada abscisa correspondiente, en donde se establecieron 6 secciones. La línea tomate representa la deflexión promedio; mientras que la línea superior (color verde) que hace referencia a una deflexión mayor al promedio y que es conocida como deflexión característica (𝑥̅), variable que es explicada a continuación (Ávila & Albarracín, 2014). Cuando las pruebas de deflectometría son completadas en un proyecto vial, los datos de deflexión recolectados por el FWD son usados para determinar la deflexión característica (𝑥̅𝑐) para una sección uniforme, en la que al aplicar estadística

descriptiva se obtiene un promedio de las deflexiones máximas (𝑥̅), como también la desviación estándar (s) a través de la ecuación 3.6 (Avila et al., 2015).

𝑠 = √

Σ𝑥𝑛−12−𝑥̅Σ𝑥

Ecuación 3.6 En donde:

s = desviación estándar.

𝑥̅ = valor promedio de la deflexión máxima en la sección de análisis. x = valor de la deflexión máxima en cada punto de análisis.

n = número de pruebas de deflexión realizadas dentro de la sección de análisis.

Mediante la ecuación 3.7 se obtiene la deflexión característica (𝑥𝑐) para una determinada sección de análisis (Avila et al., 2015).

𝑥𝑐 = (𝑥̅ + 1.65 ∗ 𝑠) Ecuación 3.7

El 1.65 veces la desviación estándar por encima de la media implica que el 95% de las mediciones son más pequeñas que 𝑥𝑐(Avila et al., 2015), el método más usado para obtener secciones homogéneas es

el de “diferencia acumuladas” (AASHTO, 1993).

La Tabla 3.6 presenta el método AASHTO para obtener secciones homogéneas mediante el método de diferencias acumuladas. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0+000 0+500 1+000 1+500 2+000 2+500 3+000 3+500 4+000 4+500 5+000 5+500 DE FLE XIÓN D1 (μ m) ABSCISA

Secciones Homogéneas Tramo 3

Tabla 3.6. Solución al método de las Diferencias Acumuladas. (1) Estación (2) Valor de Respuesta del pavimento (ri) (3) Número de Intervalo (n) (4) Distancia del Intervalo (Δxi) (5) Distancia Acumulada (ΣΔxi) (6) Valor de respuesta promedio (𝑟̅𝑖) (7) Área del Intervalo Real (ai) (8) Área Acumulada (Σai) (9) Diferencia acumulada Zx=(8)-F*(5) 1 r1 1 Δx1 Δx1 𝑟̅1= 𝑟1 𝑎1= 𝑟̅1∗ Δx1 𝑎1 𝑍𝑥1= 𝑎1− 𝐹 ∗ 𝛥𝑥1 2 r2 2 Δx2 Δx1+Δx2 𝑟̅2= (𝑟1+ 𝑟2)/2 𝑎2= 𝑟̅2∗ Δx2 𝑎1+ 𝑎2 𝑍𝑥2 = (𝑎1+ 𝑎2) − 𝐹 ∗ (𝛥𝑥1+ 𝛥𝑥2) 3 r3 3 Δx3 Δx1+Δx2+ Δx3 𝑟̅2= (𝑟2+ 𝑟3)/2 𝑎3= 𝑟̅3∗ Δx3 𝑎1+ 𝑎2+ 𝑎3 Lp r4 Nt Δx4 Δx1+…+ Δxn 𝑟̅𝑛𝑡= (𝑟𝑛−1+ 𝑟𝑛)/2 𝑎𝑛𝑡 = 𝑟̅𝑛𝑡∗ 𝛥𝑥𝑛𝑡 𝑎1+ ⋯ + 𝑎𝑛𝑡 𝑍𝑥𝑛𝑡 = (𝑎1+. . +𝑎𝑛𝑡) − 𝐹 ∗ (𝛥𝑥1+. . +𝛥𝑥𝑛𝑡)

𝐴

𝑡

= ∑

𝑛𝑡

𝑎

𝑖 𝑖=1

𝐹

𝑡

= 𝐴

𝑡

/𝐿

𝑝 En donde:

(1) Es la abscisa en donde se aplicó el ensayo: x1, x2, x3,…xn.

(2) Corresponde a la deflexión máxima (Do), valor de respuesta (r) del pavimento. (4) La tercera columna es la distancia acumulada de los valores de la segunda columna.

(5) Contiene la distancia del intervalo que será la diferencia entre cada dos puntos de la primera columna, cuya unidad de longitud es el metro: Δx1=x1, Δx2=x2-x1,…, Δxn=xn-xn-1.

(6) La columna 6 representa el promedio entre cada dos deflexiones consecutivas. (7) La columna 7 representa el área del intervalo real 𝑎1= 𝑟̅1∗ Δx1.

(8) La columna ocho contiene el área acumulada del intervalo. (9) La última columna contiene la diferencia acumulada (Zx).

Una vez realizado el procedimiento de las diferencias acumuladas, en cada uno de los puntos de ensayo se realiza el correspondiente gráfico abscisa versus diferencias acumuladas, como resultado se obtiene las secciones homogéneas mediante los cambios de pendiente que sufre el gráfico. Cada cambio de pendiente determina una sección. La Figura 3.6 es la representación de abscisa (Km) versus diferencias acumuladas (Zx) para la obtención de secciones homogéneas para el tramo Campo Alegre Biblián.

Figura 3.6 Obtención de secciones homogéneas a partir de diferencias acumuladas Tramo 3 vía Zhud – Biblián (Avila et al., 2015).

Eficiencia de la transferencia de cargas

Conocer la forma de cómo trabaja el pavimento rígido es de gran utilidad para entender la esencia de su funcionamiento, considerando que la hidratación del cemento en la mezcla de pavimento rígido genera fisuras por contracción el constructor induce fisuras espaciadas a cierta distancia, conocidas como juntas transversales.

Cada tipo de junta provee una capacidad diferente de transmitir las cargas entre las losas. Esta capacidad es la llamada eficiencia de la transferencia de carga. Observe como ambos lados de la junta

se deflectan de manera uniforme cuando existe un 100% de eficiencia (AASHTO, 1993). La Figura 3.7

muestra los tipos de transferencia de carga en el pavimento.

Figura 3.7 Eficiencia en la transferencia de carga.

La determinación de la transferencia de cargas en las juntas producidas por las deflexiones está representada por la ecuación 3.8 (AASHTO, 1993).

𝐿𝑇𝐸 =

𝐷𝑢𝑙

𝐷𝑙

∗ 100

Ecuación 3.8

Donde:

LTE, representa la eficiencia de la transferencia de carga en la junta que se expresa en porcentaje, Dul, es la deflexión a 15 cm de la junta en la losa no cargada y

La tabla 3.7 presenta la clasificación de la transferencia de carga según su porcentaje recomendada por la AASHTO:

Tabla 3.7. Clasificación de la transferencia de carga (AASHTO, 1993).

Clasificación LTE (%) Excelente 90 – 100 Bueno 75 – 89 Regular 50 – 74 Pobre 25 – 49 Muy Pobre 0 – 24

Al momento de determinar la eficacia en la transferencia de carga con el equipo FWD, el plato de carga de diámetro 30 cm debe ser colocado al borde de la junta a evaluar (Dl es igual a D1), midiéndose la deflexión en la zona no cargada (Dul) con el geófono 3 (D3).

La transferencia de carga es importante para la longevidad del pavimento. La mayoría de los problemas de comportamiento en los pavimentos de concreto son el resultado de un mal desempeño de las juntas. Destrucciones, tales como escalonamientos en juntas, erosión por bombeo y grietas de esquina se producen en las juntas con una mala transferencia de carga. Todos estos problemas empeoran cuando las deflexiones bajo las cargas en la zona de juntas son de gran magnitud.

Los pasadores o dovelas proporcionan una conexión mecánica entre las losas sin restringir el movimiento de la junta horizontalmente. También mantienen a las losas alineadas horizontal y verticalmente. Cuando circulan vehículos pesados, los pasadores permiten una menor deflexión en la junta y menores esfuerzos en las losas, reduciendo el potencial de problemas en las juntas debido al

aumento de la eficiencia en la transferencia de carga (Calo, 2015).

Cuando los pasadores no se utilizan, las juntas dependen únicamente de la trabazón de los agregados para la transferencia de carga. La trabazón del agregado es el entrecruzamiento mecánico que se produce entre sus caras fracturadas a lo largo de la grieta y por debajo de la junta cortada con sierra. A continuación la Tabla 3.8 presenta los valores promedio de la transferencia de carga de las juntas analizadas en cada uno de los carriles.

Tabla 3.8. Resultados de la transferencia de carga por carril (ECUATEST CIA. LTDA., 2014).

CARRIL LTE CLASIFICACIÓN

Derecho 67 Regular

Izquierdo 64 Regular

Geo radar

El georadar GPR (Ground Penetrating Radar) permite localizar objetos y determinar discontinuidades en los materiales que conforman el pavimento; la técnica utiliza los pulsos cortos de energía

ser propagada hacia abajo, parte de la energía es absorbida y parte reflejada hacia la superficie, con amplitudes y tiempos de llegada, los cuales dependen de las constantes dieléctricas de los materiales

existentes (Caicedo, Mancera, & Tristancho, 2003).

Los sistemas de georadar con dos tipos de antena son empleados para determinar espesores de capas en el pavimento; la primera antena de contacto con el terreno nos permite evaluar firmes a alta velocidad. La antena de no contacto está adosada a la parte frontal o posterior del vehículo que la transporta, lo que impide que sea afectada por las irregularidades de la calzada.

Las propiedades de los materiales y las características particulares de la onda que se ha usado, son los que determinan la propagación de energía en el medio. Obteniendo estos parámetros se puede llegar a dimensionar en base al tiempo de propagación de la onda la distancia recorrido por la misma en cada uno de los diferentes materiales que atraviesa. El sistema utilizado para la vía Zhud – Biblián.

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