Análisis deflectométrico por etapas y comparación con el tipo de material de cada capa estructural en la obra construcción y mejoramiento de la carretera Matarani Punta de Bombón tramo Km 2+000 al Km 7+000

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL ESCUELA PROFESIONAL DE INGENÍERÍA CIVIL. “ANÁLISIS DEFLECTOMÉTRICO POR ETAPAS Y COMPARACIÓN CON EL TIPO DE MATERIAL DE CADA CAPA ESTRUCTURAL EN LA OBRA CONSTRUCCIÓN Y MEJORAMIENTO DE LA CARRETERA MATARANI-PUNTA DE BOMBÓN TRAMO KM 2+000 AL KM 7+000”. Tesis presentada por los Bachilleres JAEN QUISPE CLYDER SMITH TICONA CANAZA JOE DEIVE Para optar el Título Profesional de Ingeniero Civil Asesor de Tesis: ING. ROBERTO CÁCERES FLORES. AREQUIPA – PERÚ 2019.

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(3) DEDICATORIAS. Debo agradecer a Dios por haberme guiado y permitido terminar mi carrera, a mis padres Julio y Dionisia por su apoyo incondicional, a mi hermana Nydia por todo su apoyo, a mi esposa Lelis y a mi hija Camila que son mis tesoros, a mis compañeros de trabajo por su apoyo brindado y a todos aquellos que de una u otra forma hicieron posible la presente tesis.. Clyder Smith Jaen Quispe. A mis padres Gumercindo y Rogelia, ejemplos de vida, que me enseñaron el valor de la responsabilidad y a afrontar con coraje el día a día. A mis hermanos Sandra, Ana, Gonzalo, Chalo y mis sobrinos Fabrizio y Mateo que me siempre me apoyaron en los buenos y malos momentos que sean mi familia es el premio más grande que Dios me obsequió.. Joe Deive Ticona Canaza. i.

(4) AGRADECIMIENTOS. Al Padre Celestial por protegernos durante todo nuestro camino y por darnos fuerzas para superar obstáculos y dificultades a lo largo de nuestras vidas.. A nuestro Asesor Ing. ROBERTO CÁCERES FLORES por ser guía durante toda nuestra investigación y un gran docente durante nuestra etapa como estudiantes.. A nuestra casa de estudios la UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN.. A nuestra querida FACULTAD DE INGENÍERIA CIVIL.. A toda la plana docente que contribuyó con nuestra formación académica durante los años cursados en esta prestigiosa facultad.. A nuestro gran amigo IVES que siempre nos brindó su apoyo incondicional en nuestra etapa de estudiantes y más aún durante el desarrollo de la tesis.. A nuestros amigos Alan Cayllahua, Juan Charca, Miguel Coaguila, Janeth Samo, Jhonatan Mendoza, Percy Marceliano, Marco Lonconi, que sin su apoyo no hubiere sido posible este gran paso en nuestras vidas.. ii.

(5) Resumen. En el presente trabajo de investigación, se propone una metodología de diagnóstico de la estructura del pavimento, basada en el cuenco de deflexio nes ; el proceso comienza con la recolección de datos de campo, con ayuda de la Viga Benkelman se efectúan las mediciones deflectométricas; este tipo de ensayo corresponde a uno no destructive. Con los resultados obtenidos en campo se calcula el módulo de elasticidad del pavimento a través de un proceso de simulación numérica.. Para la evaluación estructural, como se mencionó anteriormente, se utilizó la Viga Benkelman para medir la respuesta del pavimento ante el paso de un camión cargado normalizado. Las lecturas de las deflexiones, radios de curvatura, y los valores del módulo resiliente de la sub rasante determinado según modelo de capas elásticas, permitirá determinar la condición actual del pavimento.. Palabras Clave Deflexiones, Viga Benkelman, Evaluación Deflectométrica, Radio de curvatura, Capacidad Estructural.. iii.

(6) Abstract. In the present work of investigation, a methodology of diagnosis of the structure of the pavement is proposed based on the bowl of deflections; the process begins with the collection of field data, with the help of the Benkelman beam the deflectometric measurements are made; this type of test corresponds to a non-destructive one. With the results obtained in the field, the modulus of elasticity of the pavement is calculated through a numerical simulation process.. For the structural evaluation, as mentioned above, the Benkelman Beam was used to measure the response of the pavement before the passage of a standardized loaded truck. The readings of the deflections, radius of curvature, and the values of the resilient modulus of the subgrade determined according to the model of elastic layers, will allow to determine the current condition of the pavement.. Keywords Deflections, Benkelman Beam, Deflectometric Evaluation, Curvature Radius, Structural Capacity.. iv.

(7) Glosario de términos. Agregado: Material granular de composición mineralógica como arena, grava, escoria, o roca triturada, usado para ser mezclado en diferentes tamaños. Asfalto: Material cementante, de color marrón oscuro a negro, constituido principalmente por betunes de origen natural u obtenidos por refinación del petróleo. El asfalto se encuentra en proporciones variables en la mayoría del crudo de petróleo. Base Granular: Parte de la estructura del pavimento, constituida por una capa de material seleccionado que se coloca entre la subbase o subrasante y la capa de rodadura. Calicata: Excavación que se realiza en el terreno que nos permite estudiar la estratigrafía del suelo a diferentes profundidades. Cantera: Depósito natural de material apropiado para ser utilizado en la construcción, rehabilitación, mejoramiento y/o mantenimiento de las carreteras. Carpeta Asfáltica: La carpeta asfáltica es la parte superior del pavimento flexible que proporciona la superficie de rodamiento, es elaborada con material pétreo seleccionado y un producto asfáltico dependiendo del tipo de camino que se va a construir. Carretera: Camino para el tránsito de vehículos motorizados de por lo menos dos ejes, cuyas características geométricas, tales como: pendiente longitudinal, pendiente transversal, sección transversal, superficie de rodadura y demás elementos de la misma, deben cumplir las normas técnicas vigentes del Ministerio de Transportes y Comunicaciones. Carril: Parte de la calzada destinada a la circulación de una fila de vehículos en un mismo sentido de tránsito. CBR (California Bearing Ratio): Valor relativo de soporte de un suelo o material, que se mide por la penetración de una fuerza dentro de una masa de suelo. Cohesión: La resistencia al corte de un suelo, a una tensión normal.. v.

(8) Compactación: Proceso manual o mecánico que tiende a reducir el volumen total de vacíos de suelos, mezclas bituminosas, morteros y concretos frescos de cemento Portland. Concreto Asfáltico: Mezcla procesada, compuesta por agregados gruesos y finos, material bituminoso y de ser el caso se incorpora aditivos para mejorar sus propiedades de comportamiento. Es utilizada como capa de base o de rodadura y forma parte de la estructura del pavimento. Contenido de Humedad: Volumen de agua de un material determinado bajo ciertas condiciones y expresado como porcentaje de la masa del elemento húmedo, es decir, la masa original incluyendo la sustancia seca y cualquier humedad presente. Control de Calidad: Pruebas técnicas para comprobar la correcta ejecución de las diferentes etapas o fases de un trabajo con relación a las especificaciones técnicas o requisitos específicos establecidos. Corte Directo: Ensayo mediante el cual una muestra del suelo es sometida a una carga tangencial, falla al moverse una sección con respecto a otra. Cota de Rasante: Valor numérico de un punto topográfico que representa el nivel terminado o rasante referido a un BENCH MARK (BM). Cuenco de Deflexiones: El cuenco de deflexiones proporciona mucha y valiosa información acerca del pavimento, permitiendo evaluar mediante técnicas diversas el estado de cada una de las capas que lo constituyen así como del cimiento sobre el que se apoya. Curva de Compactación (Curva de Proctor): Representación gráfica que relaciona el peso unitario seco (densidad) y el contenido de agua del suelo para un determinado esfuerzo de compactación. Curva Granulométrica: Representación gráfica de la granulometría y proporciona una visión objetiva de la distribución de tamaños del agregado. Se obtiene llevando en abscisas los. vi.

(9) logaritmos de las aberturas de los tamices y en las ordenadas los porcentajes que pasan o sus complementos a 100, que son los retenidos acumulados. Eje de la Carretera: Línea longitudinal que define el trazado en planta, el mismo que está ubicado en el eje de simetría de la calzada. Para el caso de autopistas y carreteras duales el eje se ubica en el centro del separador central. Ensayo Marshall: Procedimiento para obtener el contenido de asfalto y diferentes parámetros de calidad de una mezcla bituminosa Estudio de Suelos: Documento técnico que engloba el conjunto de exploraciones e investigaciones de campo, ensayos de laboratorio y análisis de gabinete que tiene por objeto estudiar el comportamiento de los suelos y sus respuestas ante las solicitaciones de carga. Índice Medio Diario Anual (IMDA): Volumen promedio del tránsito de vehículos en ambos sentidos de la carretera, durante 24 horas, de una muestra vehicular (conteo vehicular), para un período anual. Máxima Densidad Seca: Máximo valor de densidad seca definido por la curva de compactación para un esfuerzo especificado (estándar o modificado). Módulo Resiliente (Suelos): Esfuerzo repetido axial de desviación de magnitud, duración y frecuencias fijas, aplicado a un espécimen de prueba apropiadamente preparado y acondicionado. Pavimento: Estructura construida sobre la subrasante de la vía, para resistir y distribuir los esfuerzos originados por los vehículos y mejorar las condiciones de seguridad y comodidad para el tránsito. Por lo general está conformada por las siguientes capas: subbase, base y capa de rodadura. Pavimento Flexible: Constituido con materiales bituminosos como aglomerantes, agregados y de ser el caso aditivos.. vii.

(10) Rasante: Nivel terminado de la superficie de rodadura. La línea de rasante se ubica en el eje de la vía. Sección Transversal: Representación de una sección de la carretera en forma transversal al eje y a distancias específicas, que nomina y dimensiona los elementos que conforman la misma, dentro del Derecho de Vía. Hay dos tipos de sección transversal: General y Especial. Subbase Granular: Capa que forma parte de la estructura de un pavimento que se encuentra inmediatamente por debajo de la capa de Base. Subrasante: Superficie terminada de la carretera a nivel de movimiento de tierras (corte o relleno), sobre la cual se coloca la estructura del pavimento o afirmado. Terraplén: Parte de la explanación situada sobre el terreno original. También se le conoce como relleno. Tránsito: Conjunto de desplazamientos de personas, vehículos y animales por las vías terrestres de uso público (Circulación). Vehículo: Todo medio capaz de desplazarse que sirve para transportar personas o mercancías y que se encuentra comprendido dentro de la clasificación vehicular del Anexo I del Reglamento Nacional de Vehículos. Viga Benkelman: Instrumento que se usa para determinar la deflexión de un pavimento flexible producido por una carga estática.. viii.

(11) Tabla de Contenido Dedicatorias ……………………………………………………………….………….…...…...i Agradecimientos ………………………………………………………….………….….….....ii Resumen …………………………………….…………………………….………….….…...iii Palabras Clave ……………………………………………………...……………….….….....iii Abstract ………………………………………………………………..….………….….…....iv Keyworks ………………………………………………………………….……...….…..…...iv Glosario de términos ………………………………………………….…………….....….…...v Tabla de contenido ……………………………………………………….…………...….…...ix Índice de Figuras ……………………………………………………….………….…...…... xiv Índice de Tablas ……………….……………………………………….……..…….….…... xvi Índice de Gráficos …………...……………………..…………………….………….….…... xx Índice de Fotografías …………………………………..…………………………….….….xxiv Capítulo 1 ………………………………………………………………….………….….…...1 Generalidades ………………………………………….………………….………….….…...1 1.1 Motivación y contexto ………………………………………………….………….….…...1 1.2 Planteamiento del problema ………………………………..…………….………….……. 2 1.3 Objetivos ………………………………………………………………….……………..…3 1.3.1 Objetivo General ……………………………………………….……………..….3 1.3.2 Objetivos Específicos …………………………………………….………...…….3 1.4 Tipo de investigación …………………………………………………………….……...... 3 1.5 Metodología de Investigación ………………………………………………….……...…...3 1.6 Área de estudio ………………………………………………………………………...…...4 1.6.1 Localización y Situación del Área de Estudio ………………………………...…4 1.6.2 Descripción del Relieve y el Clima …………………………………..…….……6. ix.

(12) Capítulo 2 …………………..……………………………………………………………...….8 Marco Teórico …………………..………………………………………………………...….8 2.1 Evaluación estructural de pavimentos …………………..………………………...…...…..8 2.1.1 Factores que afectan la magnitud de las deflexiones ………………………….…..9 2.1.2 Solicitaciones principales de un pavimento ……………….……….………...…11 2.2 Análisis de sistemas de capas de comportamiento elástico …………………………....…13 2.2.1 Modelo Monocapa (Modelo de Bousinesq) ……………….………………....…14 2.2.2 Modelo Bicapa …………………………………………………………….....…14 2.2.3 Modelo Multicapa ………………………………..……………………….….....16 2.2.4 Modelo de Hogg ………………………………………………………....……..17 2.3 Métodos de evaluación estructural ……………….……………………………….…..….20 2.3.1 Métodos directos de evaluacion estructural ……………………………..…....…21 2.3.2 Métodos indirectos de evaluacion estructural …………………………....…..…23 2.4 Método AASHTO …………………………………………………………….…….….....29 2.4.1 Pavimentos flexibles …………………………………….…………….....……..31 2.4.2 Pavimentos rígidos ………………………………….…………………......…....31 2.5 Método de elementos finitos ……………………………………………………...……....32 2.6 Deflexiones Admisibles …………………………………………………………..……....35 2.6.1 Expresiones para el cálculo de deflexiones admisibles ……………………..……….....36 2.6.2 Deflexión característica …………………………………………………..…….……....37 Capítulo 3……....………………………………………………………………………....….38 Características de los materiales …………………………………….………………...….38 3.1 Descripción ...………………………………………………….……………………...….38 3.2 Propiedades físico mecánicas de los materiales para subrasante…….……………......….38 3.2.1 Ensayo de suelos ...………………………………………………………......…40. x.

(13) 3.2.2 Clasificación de suelos ...……………………………………….……….….…..41 3.2.3 Granulometría………………………………………………….…………...…...41 3.3 Sub base granular………………………………………………………….…….…..……43 •. Requisitos de los agregados para Sub bases granulares……………….….……..……43. 3.4 Base granular……………………………………………………………….…..……..…..46 •. Requisitos de los agregados para Bases granulares..…………………...………..…...46. 3.5 Carpeta Asfáltica...…………………………………………………………...…..……….50 •. Requisitos de los agregados para Carpeta Asfáltica .....…………...………..……… .50. Capítulo 4 ……………………………………………….……………………..…………… 54 Estudio de tránsito ………………………………...………….…………………………….54 4.1 Generalidades ……………………………………………….…………………………… 54 4.2 Tipo de tráfico…………………………………………………………………………… 54 4.2.1 Tráfico normal…………………………………….…………………………… 55 4.2.2 Tráfico generado ...…………………………………….………………….…… 55 4.2.3 Tráfico desviado………………………………………………………………... 56 4.3 El vehículo……...………………………………………………………………...…..….. 58 4.4 Indice Medio Diario Annual ……………..………………………………………….….. 64 4.5 EAL de diseño …………..………………………………………………………….…… 66 Capítulo 5 ……………………………………………………...…………………..…….… 68 Evaluación estructural a nivel de Subrasante, Sub base, Base y Carpeta Asfáltica …... 68 5.1 Evaluación estructural de pavimentos ……………………………...…………………… 68 5.1.1 Características de la viga Benkelman …………………………...…………….. 69 5.1.2 Procedimiento de ensayo de la viga Benkelman ………………...……………. 71 5.1.3 Personal y equipo necesario para realizar el ensayo con viga Benkelman ...…. 73 5.14 Determinación de númer structural (SN) con la viga Benkelman ..…………… 75. xi.

(14) 5.2 Evaluación deflectométrica a nivel de Sub Rasante ..……………………………….…... 77 5.3 Evaluación deflectométrica a nivel de Sub Base …..…………………………………..... 79 5.4 Evaluación deflectométrica a nivel de Base Granular ...……………………………….…81 5.5 Evaluación deflectométrica a nivel de Carpeta Asfáltica ..……………………..….……. 83 Capítulo 6 ………………………………………………………………….…………….…. 85 Análisis de resultados ……………………………………………………..…………….…. 85 6.1 Identificación y localización de ruta a evaluar ……………………………………….…. 85 6.2 Estudio de Homogeneidad y Zonas Débiles .………………………………………...….. 87 6.3 Medición de Deflexiones con la Viga Benkelman a Nivel De Sub Rasante …..…...….... 90 6.4 Medicion de deflexiones con la viga Benkelman a nivel de sub base .……………….…. 94 6.5 Medición de deflexiones con la viga Benkelman a nivel de base ……..……………….... 98 6.6 Medición de deflexiones con la viga Benkelman a nivel de carpeta asfáltica ..……..…..102 6.7 Interacción de deflexiones por capas ..………………………………………….…..……106 6.7.1 Interacción: Sub Rasante – Sub Base ..……………………………….…..…….107 6.7.2 Interacción: Sub Rasante – Sub Base – Base .……………………….…..….….111 6.7.3 Interacción: Sub Rasante – Sub Base – Base – Carpeta Asfáltica .…….……….115 6.8 Capacidad Estructural .…………………………………………………………….….…119 6.8.1 Cálculo del Número Estructural con datos de campo…………………………..119 6.8.2 Cálculo del Número Estructural con datos de Estudios del Proyecto……..…....122 6.9 Comparación De Los Resultados Obtenidos En Campo ………………..…………..…...134 6.9.1 Método de Elementos Finitos ……………………………………….………...134 6.9.2 Cálculo de las deflexiones admisibles …………………..………….……...….138 6.9.3 Comparación de resultados Elementos Finitos vs Deflexiones Admisibles .....144. xii.

(15) Conclusiones y Recomendaciones .…………………………………………………………145 Bibliografía ..………………………………………………………………………………..147 Anexos ..…………………...……………………………………….……………………….149. xiii.

(16) Índice de Figuras. Figura 1.1 Ubicación del tramo Km 2+000 – Km 7+000 de la carretera Matarani-Punta de Bombóm …………...…………………………………………………………………………..4 Figura 1.2. Ubicación del proyecto Matarani-Punta de Bombón …………………….………..5 Figura 1.3 Relieve del tramo en estudio …………….…………………………………………7 Figura 2.1 Evaluación estructural …………………………….………………………………10 Figura 2.2 Análisis de capas elásticas ……………………………………………….….……13 Figura 2.3 Representación de un masivo infinito ……………………………………..……. 14 Figura 2.4 Representación de un modelo Bicapa ……………………………………..……. 15 Figura 2.5 Factor de deflexion F2 para la teoría Bicapa ……………………………....…….16 Figura 2.6 Multicapa propuesto con la formula de Palmer y Barber generalizada …….……16 Figura 2.7 Modelo de Hogg ………………………….………………………….…….…… 17 Figura 2.8 Ecuaciones método de Hogg Simplificado ………………………….…….…… 18 Figura 2.9 Muestra típica de extracción de núcleo de pavimento …………….……….……22 Figura 2.10 Esquema ideal del comportamiento del cuenco de deflexiones ……….………23 Figura 2.11 Efecto de un refuerzo en la capacidad estructural ………………………...……30 Fig. 2.12 Capas incluidas en el SNeff ……………………………………………………...31 Figura. 2.13 Discretizacion de un pavimento en 3D …………….………………………......33 Figura. 2.14 Matriz elemental ……………….……………………………..………….…….33 Figura 2.15: Modelo de pavimento de base finita y subrasante infinita ……..………….…34. xiv.

(17) Figura 2.16: Discretización del pavimento en estudio ……………………………………..…35 Figura 3.1 Sección Transversal de Corte típica ………………………………………….….39 Figura 3.2 Sección Transversal de de Relleno típico ……………………………………….…40 Figura 4.1. Ubicación geográfica de estaciones de conteo Vehicular ………….…………….55 Figura 5.1. Esquema y principio de Operación de la viga Benkelman ……………………....70 Figura 6.1. Ubicación del tramo a evaluar ……………………………………………………86 Figura 6.2. Determinación del coeficiente estructural de la carpeta asfáltica ………………122 Figura 6.3. Determinación del coeficiente estructural de una base granular …………………123 Figura 6.4. Determinación del coeficiente estructural de una sub base granular ………...…124 Figura 6.5. Características de las capas de la estructura del pavimento ……………………134 Figura 6.6. Modelo discretizado y deformado por la carga “q” aplicado a subrasante (izquierda) e interacción subrasante-subbase (derecha) ……………………..………………………….135 Figura 6.7. Modelo discretizado y deformado por la carga “q” aplicado a la interacción subrasante-subbase-base (izquierda) e interacción subrasante-subbase-base-carpeta (derecha) ………………………………………………………………………………………….……135. xv.

(18) Indice de Tablas Tabla 1.1: Espesor de capas de pavimento de diseño ………………………………………..…6 Tabla 1.2: Caracteristicas del pavimento en estudio ……………………………………...….. 6 Tabla 2.1 Parámetros del Modelo de Hogg ……………………………………………….......18 Tabla 2.2 Coeficientes para el modelo de Hogg …………………………………………...…19 Tabla 2.3. Significado de los diferentes tipos de curvas de deflexiones …………………........26 Tabla 2.4 Leyes de comportamiento de deflexión admissible de un modelo structural de pavimento flexible…………….……………………………………………………………... 36 Tabla 2.4 Valor t y probabilidad de ocurrencia D>Dc ……………….……….……………....37 Tabla 3.1 Requisitos de los materiales para terraplén ……………….…….………………......40 Tabla 3.2 Ensayos y Frecuencias …………….………………………….……………………40 Tabla 3.3. Ensayos y Frecuencias …………….………………………….…………………...41 Tabla 3.4. Cuadro de resumen de calidad del material de sub rasante (eje principal) ………..42 Tabla 3.5 Requerimientos Granulométricos Para Sub-Base Granular …………….…………44 Tabla 3.6 Sub-Base Granular Requerimientos de Ensayos Especiales ……………………...44 Tabla 3.7 Cuadro resumen de calidad del material de subbase de pista de la cantera maconsa (via matarani-punta de bombón) …………………………………………….………………..45 Tabla 3.8. Requerimientos Granulométricos para Base Granular …………….…….………...46 Tabla 3.9. CBR de base granular ………………..………………………….……………....... 47 Tabla 3.10 Requerimientos Agregado Grueso ………...…………………………………...... 47 Tabla 3.11 Requerimientos Agregado Fino ……………………….………….…………...….48. xvi.

(19) Tabla 3.12 Ensayos Y Frecuencias ………………….……………………….……………….48 Tabla 3.13 Cuadro resumen de calidad del material de base de pista de la cantera acopio 3+250 (via matarani-punta de bombón) ……………….…………….…….………….……………...49 Tabla 3.14 Mezclas en caliente tipo de cemento Asfáltico clasificado según penetración ………………………………………………………………………………………….…......51 Tabla 3.15 Especificaciones del Cemento Asfáltico Clasificado por Penetración ….………..51 Tabla 3.16 Especificaciones del Cemento Asfáltico Clasificado por Viscosidad …….……...52 Tabla 3.17 Especificaciones Para Emulsiones Catiónicas ……………….…….……….……..53 Tabla 4.1. Táfico generado y tráfico Inducido ……………………….………………….……56 Tabla 4.2 Trafico-Desviado-Generado-Inducido Matarani - Evitamiento Mollendo ……..….57 Tabla 4.3 Pesos y Medidas Máximas Permitidas …………………………………….………58 Tabla .4.4 Proyección EAL autopista Matarani-Mollendo ………………………….….…….67 Tabla 5.1 Distancia del punto de ensayo desde el borde del pavimento …………….……......71 Tabla 5.2: Lecturas de deflexión con viga Benkelman a nivel de Sub Rasante MAT-PBB C-D ………………………………………………………………………………………………...77 Tabla 5.3: Lecturas de deflexión con viga Benkelman a nivel de Sub Rasante MAT-PBB C-I …………………………………………………………………………………………….......77 Tabla 5.4: Lecturas de deflexión con viga Benkelman a nivel de Sub Rasante PBB-MAT C-D ………………………………………………………………………………………………...78 Tabla 5.5: Lecturas de deflexión con viga Benkelman a nivel de Sub Rasante PBB-MAT C-I ………………………………………………………………………………………………...78 Tabla 5.6: Lecturas de deflexión con viga Benkelman a nivel de Sub Base MAT-PBB C-D ...79. xvii.

(20) Tabla 5.7: Lecturas de deflexión con viga Benkelman a nivel de Sub Base MAT-PBB C-I …79 Tabla 5.8: Lecturas de deflexión con viga Benkelman a nivel de Sub Base PBB-MAT C-D …80 Tabla 5.9: Lecturas de deflexión con viga Benkelman a nivel de Sub Base PBB-MAT C-I …..80 Tabla 5.10: Lecturas de deflexión con viga Benkelman a nivel de Base MAT-PBB C-D …….81 Tabla 5.11: Lecturas de deflexión con viga Benkelman a nivel de Base MAT-PBB C-I ….....81 Tabla 5.12: Lecturas de deflexión con viga Benkelman a nivel de Base PBB-MAT C-D …….82 Tabla 5.13: Lecturas de deflexión con viga Benkelman a nivel de Base PBB-MAT C-I ……..82 Tabla 5.14: Lecturas de deflexión con viga Benkelman a nivel de Carpeta Asfáltica MAT-PBB C-D …………………………………………………………………………………………...83 Tabla 5.15: Lecturas de deflexión con viga Benkelman a nivel de Carpeta Asfáltica MAT-PBB C-I ……………………………………………………………………………………………83 Tabla 5.16: Lecturas de deflexión con viga Benkelman a nivel de Carpeta Asfáltica PBB-MAT C-D ……………………………………………………………………………………….......84 Tabla 5.17: Lecturas de deflexión con viga Benkelman a nivel de Carpeta Asfáltica PBB-MAT C-I ………………………………………………………………………………….…………84 Tabla 6.1 Capacidad Estructural Vía MAT-PBB (Carril Derecho) ……………….……...…119 Tabla 6.2 Capacidad Estructural Vía MAT-PBB (Carril Izquierdo) ………………….…….120 Tabla 6.3 Capacidad Estructural Vía PBB-MAT (Carril Derecho) ………………………….120 Tabla 6.4 Capacidad Estructural Vía PBB-MAT (Carril Izquierdo) ………………..……....121 Tabla 6.5 Cuadro Resumen de capacidad Estructural …………………..…………….......…121 Tabla 6.6 Número Estructural del proyecto………………..………………………….......…124 Tabla 6.7 Comparación de SN proyecto con SN calculado………………..………………...125. xviii.

(21) Tabla 6.8 Relación de variación de deflexiones por unidad de SN y 1” de espesor de capa MATPBB C.D. ………………………..………………………………………………………..…127 Tabla 6.9 Relación de variación de deflexiones por unidad de SN y 1” de espesor de capa MATPBB C.I. ……………………..……………………………………………………….……..129 Tabla 6.10 Relación de variación de deflexiones por unidad de SN y 1” de espesor de capa PBB-MAT C.D .………………….……….…………………………………………………131 Tabla 6.11 Relación de variación de deflexiones por unidad de SN y 1” de espesor de capa PBB-MAT C.I. …………………….…………………………………………………….…133 Tabla 6.12. Deflexiones Admisibles …………………………..………………………….…144 Tabla 6.13. Comparación de deformación plana a nivel de carpeta asfáltica ……….………144. xix.

(22) Índice de Gráficos Gráfico. 4.1. Gráfico de distribución de trafico vía de evitamiento ………..….……..……… 56 Gráfico. 4.2. Curvas de variación horaria del imd dv. Matarani Mollendo ….……….…….....65 Gráfico. 4.3. Composición vehicular del IMD estación e1: dv. Matarani Mollendo ………...65 Gráfico. 4.4. Flujograma de Tráfico Año 2011 …………………..…………………………...66 Grafico 5.1 Esquema de distribución de vías …………………………………………………76 Gráfico 6.1 Zonas débiles a nivel de Sub Rasante MAT-PBB C-D …………………..……...88 Gráfico 6.2 Zonas débiles a nivel de Sub Rasante MAT-PBB C-I ……………………………88 Gráfico 6.3 Zonas débiles a nivel de Sub Rasante PBB-MAT C-D …………………………...89 Gráfico 6.4 Zonas débiles a nivel de Sub Rasante PBB-MAT C-I …………………….………89 Gráfico 6.5 Deflectograma en Sub Rasante MAT-PBB Carril Derecho …………….………...90 Gráfico 6.6 Radio de Curvatura en Sub Rasante MAT-PBB Carril Derecho ………….………90 Gráfico 6.7 Deflectograma en Sub Rasante MAT-PBB Carril Izquierdo …………….…….....91 Gráfico 6.8 Radio de Curvatura en Sub Rasante MAT-PBB Carril Izquierdo ……….………..91 Gráfico 6.9 Deflectograma en Sub Rasante PBB-MAT Carril Derecho …………….………...92 Gráfico 6.10 Radio de Curvatura en Sub Rasante PBB-MAT Carril Derecho …….……..….. 92 Gráfico 6.11 Deflectograma en Sub Rasante PBB-MAT Carril Izquierdo …………….……...93 Gráfico 6.12 Radio de Curvatura en Sub Rasante PBB-MAT Carril Izquierdo …………….…93 Gráfico 6.13 Deflectograma en Sub Base MAT-PBB Carril Derecho ………………………..94 Gráfico 6.14 Radio de Curvatura en Sub Base MAT-PBB Carril Derecho …………………...94 Gráfico 6.15 Deflectograma en Sub Base MAT-PBB Carril Izquierdo ……………………....95. xx.

(23) Gráfico 6.16 Radio de Curvatura en Sub Base MAT-PBB Carril Izquierdo ………………....95 Gráfico 6.17 Deflectograma en Sub Base PBB-MAT Carril Derecho………………………...96 Gráfico 6.18 Radio de Curvatura en Sub Base PBB-MAT Carril Derecho …………………...96 Gráfico 6.19 Deflectograma en Sub Base PBB-MAT Carril Izquierdo ……………….……....97 Gráfico 6.20 Radio de Curvatura en Sub Base PBB-MAT Carril Izquierdo …………….….....97 Gráfico 6.21 Deflectograma en Base Granular MAT-PBB Carril Derecho ……………….…..98 Gráfico 6.22 Radio de Curvatura en Base Granular MAT-PBB Carril Derecho ……………...98 Gráfico 6.23 Deflectograma en Base Granular MAT-PBB Carril Izquierdo………………… 99 Gráfico 6.24 Radio de Curvatura en Base Granular MAT-PBB Carril Izquierdo……………. 99 Gráfico 6.25 Deflectograma en Base Granular PBB-MAT Carril Derecho ……………...…. 100 Gráfico 6.26 Radio de Curvatura en Base Granular PBB-MAT Carril Derecho ………..….. 100 Gráfico 6.27 Deflectograma en Base Granular PBB-MAT Carril Izquierdo …………...……101 Gráfico 6.28 Radio de Curvatura en Base Granular PBB-MAT Carril Izquierdo ……..….... 101 Gráfico 6.29 Deflectograma en Carpeta Asfáltica MAT-PBB Carril Derecho ………….......102 Gráfico 6.30 Radio de Curvatura en Carpeta Asfáltica MAT-PBB Carril Derecho ……........102 Gráfico 6.31 Deflectograma en Carpeta Asfáltica MAT-PBB Carril Izquierdo ………..…...103 Gráfico 6.32 Radio de Curvatura en Carpeta Asfáltica MAT-PBB Carril Izquierdo.…….…103 Gráfico 6.33 Deflectograma en Carpeta Asfáltica PBB-MAT Carril Derecho …….….……104 Gráfico 6.34 Radio de Curvatura en Carpeta Asfáltica PBB-MAT Carril Derecho …….......104 Gráfico 6.35 Deflectograma en Carpeta Asfáltica PBB-MAT Carril Izquierdo …….….…...105 Gráfico 6.36 Radio de Curvatura en Carpeta Asfáltica PBB-MAT Carril Izquierdo …..…....105. xxi.

(24) Gráfico 6.37 Interacción de deflexiones en Sub Rasante y Sub Base. Vía MAT-PBB Carril Derecho …………………………………………………………………………………..…107 Gráfico 6.38 Interacción de deflexiones en Sub Rasante y Sub Base. Vía MAT-PBB Carril Izquierdo ………………………………..……………….…………………………………..108 Gráfico 6.39 Interacción de deflexiones en Sub Rasante y Sub Base. Vía PBB-MAT Carril Derecho ……………………………………………………………………………………..109 Gráfico 6.40 Interacción de deflexiones en Sub Rasante y Sub Base. Vía PBB-MAT Carril Izquierdo …………………………..……………………………….………………………..110 Gráfico 6.41 Interacción de deflexiones en Sub Rasante, Sub Base y Base. Vía MAT-PBB Carril Derecho ………………………………………………………………………………111 Gráfico 6.42 Interacción de deflexiones en Sub Rasante, Sub Base y Base. Vía MAT-PBB Carril Izquierdo ……………………………………………….………………………….….112 Gráfico 6.43 Interacción de deflexiones en Sub Rasante, Sub Base y Base. Vía PBB-MAT Carril Derecho ………………………………………………………………………………113 Gráfico 6.44 Interacción de deflexiones en Sub Rasante, Sub Base y Base. Vía PBB-MAT Carril Izquierdo ……………………………………………………………………………..114 Gráfico 6.45 Interacción de deflexiones en Sub Rasante, Sub Base, Base y Carpeta Asfáltica. Vía MAT-PBB Carril Derecho ……………………………………………………………...115 Gráfico 6.46 Interacción de deflexiones en Sub Rasante, Sub Base, Base y Carpeta Asfáltica. Vía MAT-PBB Carril Izquierdo …………………………….……………..…….………….116 Gráfico 6.47 Interacción de deflexiones en Sub Rasante, Sub Base, Base y Carpeta Asfáltica Vía PBB-MAT Carril Derecho ……………………………………………………………...117 Gráfico 6.48 Interacción de deflexiones en Sub Rasante, Sub Base, Base y Carpeta Asfáltica. xxii.

(25) Vía PBB-MAT Carril Izquierdo …………………………………………...…….………….118 Gráfico 6.49 Deflexión Característica en Sub Rasante, Sub Base, Base y Carpeta Asfáltica Vía MAT-PBB Carril Derecho ……………………………………………..……………………126 Gráfico 6.50 Deflexión Característica en Sub Rasante, Sub Base, Base y Carpeta Asfáltica Vía MAT-PBB Carril Izquierdo …………………………………………………………………128 Gráfico 6.51 Deflexión Característica en Sub Rasante, Sub Base, Base y Carpeta Asfáltica Vía PBB-MAT Carril Derecho ……………………………………..…………………………...130 Gráfico 6.52 Deflexión Característica en Sub Rasante, Sub Base, Base y Carpeta Asfáltica Vía PBB-MAT Carril Izquierdo ………………………………….……………………………..132 Gráfico. 6.53. Deformación plana a nivel de sub rasante …………………………………..136 Gráfico. 6.54. Deformación plana a nivel de Sub Base …………………………………….136 Gráfico. 6.55. Deformación plana a nivel de base ………………………………………….137 Gráfico. 6.56. Deformación plana a nivel de carpeta asfáltica ……………………………..137. xxiii.

(26) Índice de Fotografías Fotografía 2.1. Ensayo de Deflectometría Viga Benkelman ………………….……………...25 Fotografía 2.2. Deflectómetro de Impacto (Falling Weight Deflectometer) ………………….28 Fotografía 5.1. Viga Benkelman a utilizar en campo …………………………………...……74 Fotografía 5.2. Personal asignado para el ensayo …………………………..…………….…. 75. xxiv.

(27) Capítulo I – Generalidades Capítulo 1 Generalidades. 1.1 Motivación y contexto En un principio la determinación de las características de los materiales que conforman la estructura de un pavimento fue realizado mediante la perforación de pozos a cielo abierto denominados calicatas de los cuales se extraían muestras que serían analizadas en los laboratorios. Cuando se vio que este tipo de evaluación era lenta, cara y destructiva se empezaron a desarrollar los modelos no destructivos lo que se conoce como modelos teóricos tales como los desarrollados por Burmister, Boussinesq (1885) y Hogg (1944), el último de estos desarrolló lo que se conoce como Modelo de Hogg que representa al pavimento como una placa delgada con una cierta rigidez a la flexión y horizontalmente infinita, sustentada por una capa elástica homogénea e isotrópica, de espesor infinito o limitado por una base rígida, horizontal y perfectamente rugosa; dicha metodología se fundamenta en la forma y dimensión de la curva de deflexiones. Ante la alternativa de evaluar la capacidad estructural de los pavimentos por medio del estudio de las deflexiones y tomando en cuenta las metodologías no destructivas tal como el Modelo de Hogg, que se desarrolló en los años 50, se da a conocer la Viga Benkelman que fué el resultado de estos primeros estudios y el primer equipo adoptado de forma extensa para la obtención de deflexiones. Los bajos rendimientos del equipo y las innovaciones tecnológicas abrieron dos vías de desarrollo dentro de los equipos de deflectometría, por un lado, se inició el desarrollo de equipos basados en el mismo principio de la Viga Benkelman, pero que permitiera una operación contínua y mecanizada con mejores rendimientos, y por otro se comenzó a trabajar con los. 1.

(28) Capítulo I – Generalidades equipos tipo impacto, que aplican un impulso de carga de corta duración para simular el paso de una rueda móvil a alta velocidad. El presente proyecto analizará las deflexiones por etapas durante la colocación del pavimento para poder llevar un buen control de calidad del mismo y así evitar o minimizar durante su tiempo de vida útil la aparición de fallas como fisuras, deformaciones, ahuellamiento, ondulaciones entre otros; el estudio del comportamiento mediante deflexiones de los materiales usados en las diferentes etapas nos brindará un mejor concepto funcional de toda la estructura de la carretera Matarani - Punta Bombón.. 1.2 Planteamiento del problema El actual deterioro prematuro y acelerado de nuestras vías, debido a la aplicación de tecnologías pasadas o a su incorrecta aplicación y sumado a ello el progresivo incremento de volumen de tránsito a la que se ven sometidas las carreteras; nos muestran la necesidad de realizar un exhaustivo control de calidad en cada etapa de su colocación, esto nos permite elevar la performance de los pavimentos evitando fallas y mejorando así su vida útil. Las deflexiones en la superficie de un pavimento reflejan una respuesta global del sistema pavimento-subrasante bajo una carga dada. Su principal característica es que por constituir la “muestra de ensayo” el pavimento mismo, ésta representa el fiel reflejo de la compleja interacción entre sus componentes.. 2.

(29) Capítulo I – Generalidades 1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivo General “Realizar la evaluación deflectométrica por el método de la Viga Benkelman del tramo Matarani - Punta de Bombón realizada en pavimento flexible”. 1.3.2 Objetivos Específicos •. Analizar y comparar las deflexiones obtenidas en cada etapa de la estructura del pavimento.. •. Comparar las deflexiones obtenidas de acuerdo al tipo de material empleado.. •. Evaluar si la estructura del pavimento soporta la solicitud de carga emitida por el tránsito.. 1.4 Tipo de investigación El presente trabajo de investigación es de tipo No Experimental-Deductiva.. 1.5 Metodologia de Investigación En el presente trabajo se emplea una metodología de investigación ordenada como se indica a continuación: •. Cálculo de deflexiones admisibles.. •. Medición de deflexiones del pavimento mediante la Viga Benkelman (ensayo no destructivo), en cada etapa de la estructura del pavimento.. •. Análisis estadístico de las deflexiones elásticas medidas.. •. Análisis incremental y comparación de las deflexiones respecto de los materiales por capa.. 3.

(30) Capítulo I – Generalidades 1.6 Área de estudio 1.6.1 Localización y Situación del Área de Estudio El presente trabajo analizará las deflexiones por etapas durante la colocación del pavimento en el proyecto: Construcción y Mejoramiento de la Carretera Matarani - Punta de Bombón específicamente en el tramo Km 2+000 al Km 7+000. El proyecto se encuentra ubicado en el distrito de Islay, provincia de Islay, departamento de Arequipa y es la principal vía de comunicación de la población urbana y rural de la parte sur de la provincia de Islay - Región Arequipa. En el trazo actual de la carretera, la variación de altitud fluctúa entre los 13 y los 119 msnm. Figura 1.1 Ubicación del tramo Km 2+000 – Km 7+000 de la carretera Matarani-Punta de Bombóm. Fuente: Elaboración propia en base a Google Earth El tramo en estudio pertenece al proyecto integral CARRETERA CAMANA - DV. QUILCA - MATARANI - ILO – TACNA, también denominada “Via Costanera” la cual alterna a la actual via Panamericana Sur y tiene aproximadamente 400 Km de longitud; ésta carretera recorre la costa de los departamentos de Arequipa, Moquegua y Tacna. Se inicia a partir de la 4.

(31) Capítulo I – Generalidades carretera Panamericana Sur en el punto llamado "División Quilca" que se ubica a unos kilómetros después de la ciudad de Camaná y unos cuantos kilómetros antes del pueblo de Quilca propiamente dicho. En su recorrido pasa por diversos pueblos y ciudades portuarias de la costa sur peruana, llámense Camaná, Quilca, Matarani, Mollendo, Punta de Bombón, Ilo, hasta alejarse de la costa y llegar a la ciudad de Tacna. Figura 1.2 Ubicación del proyecto Matarani-Punta de Bombóm. Fuente: Consorcio Vial Matarani. El Tramo de pavimento en estudio clasifica como una Autopista de Segunda Clase según su IMDA de diseño, por lo cual presenta 2 carriles; Además presenta las siguientes características:. 5.

(32) Capítulo I – Generalidades Tabla 1.1: Espesor de capas de pavimento de diseño ESTRUCTURA SECTOR. Carpeta. Sub Base Base (cm). Asfáltica (cm) Sector 1 (km. 00+000 – km. 10+000). 10.0. (cm) 20.0. 22.5. Fuente: Elaboración propia en base a datos de Consorcio Vial Matarani Tabla 1.2: Características del pavimento en estudio SECTOR: MATARANI KM 2+000- KM 7+000 1. Velocidad directriz. 100 Km/h. 2. Ancho de calzada. 7.20 m.. 3. Número de carriles. 2.00. 4. Ancho de bermas. 1.20 m.. Fuente: Elaboración propia en base a datos de Consorcio Vial Matarani 1.6.2 Descripción del Relieve y el Clima El tramo en estudio se encuentra detrás del litoral marino donde se levanta la Cordillera de la Costa, popularmente conocida como las lomas, la misma que está separada del mar por una franja angosta de terrazas de origen marino que tiene un ancho variable de 1,5 Km Las terrazas, cortadas por numerosas quebradas secas, ascienden a alturas de 300-400 m. sobre el nivel del mar y su borde interior, donde tocan las laderas de las lomas, es abrupto. Las lomas corren en dirección paralela al litoral y tienen un ancho de 10-20 km. Esta cadena está compuesta de rocas graníticas y, por lo general, muestra contornos suaves y maduros. Las laderas se levantan muy inclinadas desde las terrazas costaneras, llegando a alturas de más de. 6.

(33) Capítulo I – Generalidades 800 m. a corta distancia del mar. Hacia el interior hay cumbres mayores que localmente sobrepasan los 1 500 m. Toda la cadena está cortada por quebradas secas. Toda la provincia pertenece a la zona desértica que caracteriza la costa occidental de Sudamérica; la temperatura media anual es de 19°C; la humedad ambiental es alta durante todo el año, pero prácticamente no hay lluvias verdaderas, aunque pueden caer lloviznas suaves, principalmente entre julio y octubre. Figura 1.3 Relieve del tramo en estudio. Fuente: Elaboración propia en base a Google Earth. 7.

(34) Capítulo II – Marco Teórico Capítulo 2 Marco Teórico. 2.1 Evaluación estructural de pavimentos. La evaluación estructural de pavimentos consiste, básicamente, en la determinación de la capacidad portante del sistema pavimento-subrasante en una estructura vial existente, en cualquier momento de su vida de servicio, para establecer y cuantificar las necesidades de rehabilitación, cuando el pavimento se acerca al fin de su vida útil o cuando el pavimento va a cambiar su función (un nuevo tipo de avión en un aeropuerto existente, por ejemplo). Las necesidades de evaluar estructuralmente los pavimentos de una red aumentan a medida que se completa el diseño y la construcción de una red vial nacional o regional y consecuentemente aumenta la necesidad de su preservación y rehabilitación. (Hoffman y Del Aguila, 1985, p.1) La evaluación estructural de pavimentos presenta dos fases; en la primera se realiza el proceso de recolección de datos mediante ensayos en campo (auscultación estructural) y la segunda se procede con la aplicación de un método para hallar los resultados (deflexiones, módulo de elasticidad, CBR, número structural) denominado retrocálculo. Los métodos de retrocálculo pueden ser iterativos cuando realizan comparaciones sucesivas entre el cuenco de deflexión medido y el teórico, este último puede ser determinado por programas de computación, por el conjunto de estructuras evaluadas y almacenadas en un banco de datos o por regresión estadística, mientras los métodos simplificados son aquellos que se realizan por medio de la utilización de ecuaciones, tablas y gráficos basados en la teoría de elasticidad, este procedimiento es más rápido que los iterativos, pero con mucha menor precision. (Nóbrega, 2003). 8.

(35) Capítulo II – Marco Teórico Para el presente Proyecto se realiza los procedimientos anteriormente mencionados por etapas; por ende, se realiza una evaluación deflectométrica del pavimento por cada capa estructural del mismo, esto nos permite evaluar la interacción existente entre ellas según el orden del proceso constructivo mediante un análisis del cuenco de deflexiones. La evaluación estructural de los pavimentos ha ido variando de la mano con los avances tecnológicos, requiriendo cada vez un mejor rendimiento de trabajo, una recolección sistemática de los parámetros del pavimento y menor daño físico y operacional al pavimento en estudio. 2.1.1 Factores que afectan la magnitud de las deflexiones Dentro de las mediciones realizadas en la evaluación estructural habrá que considerar los siguientes aspectos ya que influyen en la toma de resultados y pueden inducir errores al interpretar los resultados: 2.1.1.1 Temperatura •. Se debe realizar ajustes en los datos de deflexiones en base a la temperatura bajo las que se realizaron los ensayos y se observará cuál es el comportamiento térmico del pavimento.. •. A medida que la temperatura es mayor, las deflexiones se incrementan, debido al decrecimiento de rigidez de las capas.. •. A temperaturas altas del pavimento (del orden de 40ºC) comienza a intervenir la deformación plástica de las mezclas, sobre todo cuando la carga de ensayo es estática. •. La temperatura del pavimento se debe medir según norma ASTM D 4695. •. Las deflexiones deben ser corregidas a una temperatura estándar, generalmente 20 °C. 2.1.1.2 Humedad.. •. Esta afecta a las bases, subbases y subrasantes, ya que algunos de los materiales. 9.