FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
TRABAJO DE SUFICIENCIA PROFESIONAL
“ESTUDIO DE SUELOS CON FINES DE PAVIMENTACIÓN
DE LA VÍA DE EVITAMIENTO DE LA CIUDAD DE
TOCACHE”
PARA OBTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO CIVIL
ELABORADO POR
VLADIMIR JANAMPA MAYHUA
ASESOR
M.Sc. ING. JOSÉ W. GUTIÉRREZ LÁZARES
LIMA- PERÚ
© 2019, Universidad Nacional de Ingeniería. Todos los derechos reservados
“El autor autoriza a la UNI a reproducir del Trabajo de Suficiencia Profesional en su totalidad o en parte, con fines estrictamente académicos.”
DEDICO A:
A Dios por entregarme la fortaleza, voluntad y perseverancia.
A mi madre Ana por su infinito amor y bondad.
A mi padre Heraclio por darme soporte, aliento y ánimos frente a las adversidades.
A mi esposa Elina y mi hija Camila por su comprensión y amor ya que son mi empuje a seguir alcanzando mis metas.
A mis hermanas Nancy y Maximiliana por su apoyo incondicional.
INDICE
LISTA DE FIGURAS. ..……….………... 3
LISTA DE TABLAS………... 4
RESUMEN…... 6
CAPITULO I: INTRODUCCIÓN. ………... 8
1.1. ANTECEDENTES DEL PROYECTO………...………. 8
1.2. PLANTEAMIENTO DE LA REALIDAD PROBLEMÁTICA…... 8
1.3. OBJETIVOS…………..……… 9
1.3.1. Objetivo general. ……… 9
1.3.2. Objetivos específicos. ………... 9
1.4. UBICACIÓN DEL ÁREA EN ESTUDIO………..………….. 10
CAPITULO II: FUNDAMENTO TEÓRICO……… 12
2.1. INFRAESTRUCTURA VIAL. ………...……….………. 12
2.2. CONDICIONES DE TERRENO DE FUNDACIÓN………...…………... 13
2.3. SUELOS COHESIVOS BLANDOS. ……….………. 13
2.4. MEJORAMIENTO DE SUELOS. ……….……….. 15
2.4.1. Criterios para definir mejoramiento de suelos……...……….. 15
2.4.1.1. Compresibilidad del suelo……… 15
2.4.1.2. Índice de consistencia……...………... 16
2.4.1.3. Suelos expansivos. ……….………. 17
2.4.2. Asentamientos por consolidación de suelos……… 18
2.4.3. Determinación del espesor de reemplazo por esfuerzos verticales………... 20 2.5. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO METODOLOGIA AASHTO 93………...……… 22
CAPITULO III: APLICACIÓN – VIA DE EVITAMIENTO DE TOCACHE... 24
3.1. TRABAJO DE CAMPO………. 24
3.2. ENSAYOS DE LABORATORIO. ……….……….. 27
3.3. DESCRIPCIÓN DE LOS SUELOS DE SUBRASANTE. ………….….. 28
3.4. IDENTIFICACIÓN DE SECTORES CRÍTICOS…...……… 32
3.6. ANÁLISIS DE LOS ESFUERZOS VERTICALES POR
BOUSSINESQ. ………. 34
3.7. ANÁLISIS DE LOS ESFUERZOS VERTICALES MEDIANTE USO
DE SOFTWARE……… 35
3.8. ASENTAMIENTOS ESPERADOS DEL SUELO DE FUNDACIÓN. … 41
3.9. TRATAMIENTOS DE LOS SECTORES CRÍTICOS……… 45
CAPITULO IV: ESTUDIO DE CANTERAS Y FUENTE DE AGUA DEL RIO TOCACHE………...……….. 47 4.1. DESCRIPCIÓN DE LA CANTERA. ……….. 47
4.2. CALIDAD DE LA CANTERA………...……… 50
4.3. CALIDAD DE AGUA………..……….. 56
CAPITULO V: ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO DISEÑADO………..… 57
CONCLUSIONES. ……….……….. 60
RECOMENDACIONES. ………. 62
REFERENCIA BIBLIOGRAFÍA………...………... 63
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Mapa de Ubicación………... 11
Figura 2.1 Algunos Elementos de la Infraestructura Vial……….. 12
Figura 2.2 Concepto de Boussinesq………. 21
Figura 3.1 Ubicación de calicatas en el eje de la vía………. 25
Figura 3.2 Vista Fotográfica de los Estratos de las Calicatas Efectuado a lo largo del Eje Proyectado………. 26 Figura 3.3 Porcentaje del Tipo de Suelo……….. 29
Figura 3.4 Resumen de Resultados del Perfil Estratigráfico………. 30
Figura 3.5 Vista de Aguajales en el Trayecto de la Vía a Proyectar……… 33
Figura 3.6 Menú General del Software KENPAVE………. 37
Figura 3.7 Menú Zcoord para definir las profundidades a visualizar los esfuerzos - Software KENPAVE………. 37 Figura 3.8 Menú Layer Thickness para ingresar los valores de poisson a cada capa - Software KENPAVE……… 38 Figura 3.9 Menú Layer Moduli para ingresar los módulos de elasticidad de cada capa - Software KENPAVE……….. 38 Figura 3.10 Menú Load Information (ingreso de Cargas) Software KENPAVE……….. 39 Figura 3.11 Modelamiento de Paquete Estructural y Mejoramiento - Software KENPAVE……….. 39 Figura 3.12 Reporte de Esfuerzos verticales de Paquete Estructural y Mejoramiento - Sofware KENPAVE……… 40 Figura 3.13 Coeficiente de Consolidación……… 43
Figura 3.14 Sección Tipo en Zonas de Aguajales/ Saturación de Suelos... 46
Figura 4.1 Ubicación de las excavaciones – Cantera Rio Tocache………. 48
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1 Clasificación de suelo según su índice de plasticidad…………. 14
Tabla 2.2 Correlación de Tipos de Suelos AASHTO-SUCS………. 14
Tabla 2.3 Grado de Compresibilidad del Suelo……….. 16
Tabla 2.4 Estado de suelo según Índice de Consistencia……… 17
Tabla 2.5 Potencial de Expansión según Índice de Plasticidad (%)……... 17
Tabla 3.1 Resumen de Ensayos Estándar del Suelo de Fundación……... 28
Tabla 3.2 Resumen de los Ensayos de Proctor y CBR del Suelo de Fundación……… 28
Tabla 3.3 Compresibilidad de Suelos……….. 31
Tabla 3.4 Criterio de Índice de Consistencia……….. 31
Tabla 3.5 Criterio de Potencial de Expansión (%)……….. 32
Tabla 3.6 Sectores Críticos ………. 32
Tabla 3.7 Análisis de Esfuerzos Verticales - Boussinesq……… 35
Tabla 3.8 Parámetros físicos de cada Capa………... 36 Tabla 3.9 Análisis de Esfuerzos verticales de Mejoramiento - Paquete estructural………. 40 Tabla 3.10 Propiedades físicas de la Estructura del Pavimento…………. 41
Tabla 3.11 Incremento de Carga Efectiva………... 42
Tabla 3.12 Valores del Coeficiente Compresibilidad según tipo de Arcilla 44
Tabla 3.13 Resultados de la estimación del Asentamiento por Consolidación……… 44 Tabla 4.1 Descripción cantera Rio Tocache ……… 47
Tabla 4.2 Coordenadas de las excavaciones realizadas-Cantera Tocache………. 48 Tabla 4.3 Cálculo y Potencia de Cantera Rio Tocache………. 49
Tabla 4.4 Cálculo de Rendimientos de la Cantera Rio Tocache…………. 49
Tabla 4.5 Resumen de Potencia y Rendimiento……… 50
Tabla 4.7 Requerimiento Material de Base………. 51
Tabla 4.8 Requerimiento Material de Asfalto……….. 52
Tabla 4.9 Requerimiento de Ensayos para Material de Concreto – agregado grueso………..………... 53 Tabla 4.10 Requerimiento de Ensayos para Material de Concreto – agregado fino………... 54 Tabla 4.11 Requerimiento Material de Base (Material Chancado)……….. 55
Tabla 4.12 Requerimiento Material de Asfalto (Material Chancado)…….. 55
Tabla 4.13 Requerimiento de Ensayos para Material de Concreto (Material Chancado)………. 56 Tabla 4.14 Especificaciones Técnicas EG-2013……… 56
Tabla 5.1 Parámetros de diseño empleado………. 57
Tabla 5.2 Coeficientes Estructurales de las Capas del Pavimento ………. 58
Tabla 5.3 Número Estructural Propuesto………. 59
Tabla 5.4 Espesores del Pavimento………..
RESUMEN
La ciudad de Tocache es atravesado por la carretera Fernando Belaunde Terry
en el Km 938 causando congestión por vehículos que pasan a otro destino por
ello se plantea una vía de evitamiento con una longitud de 5.14 km. Los suelos a
lo largo de la vía proyectada están compuestos principalmente por arcillas de
baja capacidad de soporte cuyo valor de CBR varía entre 3.6% a 7.9% y los
criterios de calidad lo definen como suelo inadecuado para la fundación de la
estructura del pavimento, como alternativa de solución se plantea un
mejoramiento de suelo por reemplazo de material de cantera del rio Tocache.
Según la metodología de Boussinesq los esfuerzos que se generan por las
cargas vehiculares se van disipando a medida que aumenta la profundidad, sin
embargo, por las características de los suelos blandos que presenta la vía
proyectada y las cargas geoestáticas conformados por la estructura del
pavimento y el estrato de mejoramiento, es posible que generen asentamientos
por consolidación causando una deformación continua en el pavimento para ello
se realiza un análisis de asentamiento. En los sectores críticos donde presentan
saturación de suelos por presencia de nivel freático y zonas de aguajales como
solución se propone emplear una estructura que comprende la inclusión de
geomalla, pedraplén y relleno controlado (terraplén) para soportar las cargas de
ABSTRACT
The city of Tocache is crossed by the road Fernando Belaunde Terry at Km 938
causing congestion by vehicles that pass to another destination for this reason a
way of avoidance with a length of 5.14 km is considered. The soils along the
projected route are mainly composed of clays of low support capacity whose
CBR value varies between 3.6% to 7.9% and the quality criteria define it as
inadequate soil for the foundation of the pavement structure, as alternative
solution is proposed a soil improvement by replacement of quarry material from
the Tocache river.
According to the Boussinesq methodology, the efforts generated by the vehicular
loads dissipate as the depth increases, however, due to the characteristics of the
soft soils that the projected path presents and the geostatic loads formed by the
pavement structure and the stratum of improvement, it is possible that they
generate settlements by consolidation causing a continuous deformation in the
pavement for this a settlement analysis is carried out. In the critical sectors where
there is soil saturation due to the presence of water table and areas of aguajales
as a solution, it is proposed to use a structure that includes the inclusion of
geogrid, pedraplén and controlled filling (embankment) to support the loads of the
CAPITULO I: INTRODUCCIÓN
1.1 ANTECEDENTES DEL PROYECTO
La Construcción de la Vía de Evitamiento de la localidad de Tocache, es
responsabilidad del gestor vial Proyecto Especial de Infraestructura de
Transporte Nacional – PROVIAS NACIONAL. El poblado de Tocache soporta el
desplazamiento de los vehículos pesados de paso y con otro destino. El proceso
de selección, para la Adjudicación Directa Selectiva ADS N° 015-2011-MTC/20
de fecha 18 de julio de 2011 correspondió a la elaboración del Estudio a nivel de
Perfil de la Vía de Evitamiento de la ciudad de Tocache; contrato que se suscribe
el 09 de septiembre del 2011 con N° 066-2011-MTC/20 con el Consorcio Vial.
Con fecha 12 de diciembre del 2012 se aprobó el Estudio a Nivel de Perfil
mediante Resolución Directoral RD N° 1114-2012-MTC/20, en el cual se
recomienda proseguir con los estudios a nivel de Factibilidad.
El 14 de septiembre del 2015 se dio inicio al proceso Concurso Público CP N°
045-2015-MTC/20 para la selección del consultor que elabore el Estudio de
Factibilidad.
Con fecha 03 de noviembre del 2015, el Ministerio de Transportes y
Comunicaciones, a través de PROVIAS Nacional adjudicó la buena pro al
Consorcio Geoconsult – Vera & Moreno (Geoconsult S.A. Consultores Generales
y Vera & Moreno S.A. Consultores de Ingeniería) quien se encargó del Estudio
de Factibilidad para la Construcción de la Vía de Evitamiento de la ciudad de
Tocache.
Con fecha 03 de marzo del 2017 El Ministerio de Transportes y Comunicaciones,
a través de PROVIAS Nacional aprueba administrativamente el Estudio de Pre
inversión a Nivel de Factibilidad de la “Construcción de la Vía de Evitamiento de la ciudad de Tocache” mediante Resolución Directoral RD N° 141-2017-MTC/20.
Actualmente se encuentra en estado activo, según el código SNIP del proyecto
de Inversión Publica N°215192.
1.2. PLANTEAMIENTO DE LA REALIDAD PROBLEMÁTICA
Las condiciones en la que se encuentra la infraestructura vial en la ciudad de
Fernando Belaunde Terry en donde opera tráfico intenso y pesado, congestiona
las calles urbanas y la contamina con ruidos, gases tóxicos que se acumulan
dificultando la ventilación inmediata y con peligro de salud para los transeúntes.
Tocache no cuenta con vías pavimentadas, solo la ruta PE-5N presenta
pavimento flexible con algún tramo menor de pavimento rígido, de regular a mal
estado. El aumento del tráfico y su carga deterioran el pavimento de manera
severa.
Por otro lado, la Vía de Evitamiento de Tocache, presenta suelos cohesivos
blandos formados por arcillas y limos de mala calidad como fundación para el
pavimento, también se presenta nivel freático, en algunos sectores, que agrava
las condiciones de resistencia por su cercanía a la superficie.
1.3. OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo general
El objetivo general es caracterizar las propiedades del subsuelo a lo largo del eje
proyectado para la vía de Evitamiento de la ciudad de Tocache, con la finalidad
de diseñar el pavimento acorde a la necesidad.
1.3.2 Objetivos específicos
Determinar las propiedades físicas y mecánicas de los tipos de suelos
existentes a lo largo del trazo de la vía proyectada.
Determinar los parámetros de diseño para el cálculo de la estructura del
pavimento.
Identificar sectores que demanden de tratamientos especiales debido a su
1.4 UBICACIÓN DEL ÁREA EN ESTUDIO
El proyecto tiene una longitud de 5.14 Km y se encuentra ubicado en la provincia
de Tocache, departamento de San Martín a 497 msnm se localiza
aproximadamente en el Km. 928 de la Carretera Fernando Belaunde Terry.
El punto de inicio del proyecto se encuentra a la altura del Km 928+000 hasta
el Km 932+200 de la carretera Fernando Belaunde Terry Ruta Nacional 5N.
El área de estudio se encuentra delimitada de la siguiente manera:
Norte: Distrito de Mariscal Cáceres y Bellavista.
Sur: Departamento de Huánuco.
Este: Distrito de Bellavista.
Oeste: Departamento de La Libertad.
El proyecto se desarrolla en zona de subtropical, el clima característico de esta
zona es húmedo y cálido durante todo el año con precipitaciones fluviales fuertes
en los meses de octubre a marzo, y precipitaciones menores en todo el año; su
Figura 1.1 Mapa de Ubicación
CAPITULO II: FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1. INFRAESTRUCTURA VIAL
La infraestructura vial es todo un conjunto de componentes que hace posible el
desplazamiento de vehículos de manera segura y confortable cuando realiza el
recorrido de un lugar a otro.
Durante muchos años se tuvo un concepto equivocado de infraestructura vial, ya
que solo se tomaban en cuenta aquellos que incidían directamente sobre la
operación de la vía; sin embargo, a medida que pasa el tiempo se han ido
agregando otros aspectos que, si bien no afectan la operación directa de los
usuarios, si lo hacen sobre el entorno. Por lo tanto, se puede decir que se llama
infraestructura vial a todo el conjunto de elementos que permite el
desplazamiento de vehículos en forma confortable y segura desde un punto a
otro, minimizando las externalidades tanto al medio ambiente como su entorno.
Esto incluye los pavimentos y sus características, puentes, túneles, dispositivo
de seguridad, señalización, entorno, medio ambiente, impacto en general, etc.
Que esquemáticamente se presenta en la figura 2.1 cada uno de los elementos
mencionados anteriormente cumplen una función específica y única que lo hace
indispensable dentro del buen funcionamiento de la infraestructura (Solminihac,
2005, p.5-6)
Figura 2.1 Algunos Elementos de la Infraestructura Vial
2.2. CONDICIONES DE TERRENO DE FUNDACIÓN
El terreno de fundación, que equivale a la subrasante, donde se apoyará la
estructura del pavimento debe tener las adecuadas condiciones de terreno para
poder soportar las cargas de tránsito vehicular. De acuerdo con el manual de
Carreteras, Suelos, Geología, Geotecnia y Pavimentos Sección: Suelos y
Pavimentos capítulo 4.5.4 Subrasante se hace mención que los materiales aptos
para las capas de subrasante del suelo deben tener un CBR≥6%, pero si el CBR
del material de subrasante es menor a 6%, se procede al mejoramiento y/o a la
estabilización del suelo, analizándose las alternativas de solución de acuerdo al
tipo del suelo como la estabilización mediante compactación mecánica, el
reemplazo del suelo inadecuado, la estabilización mediante componentes
químicos, la estabilización con productos geosintéticos, la elevación de la
rasante generando rellenos controlados, modificar el trazo vial para evitar
sectores inadecuados, seleccionandose la alternativa técnica y económicamente
favorable.
2.3. SUELOS COHESIVOS BLANDOS
Los suelos cohesivos blandos se caracterizan por su granulometría fina que
pasa la malla N° 200 destacando las arcillas y limos que tienen un índice de
plasticidad media alta.
Las características de los suelos blandos son su baja resistencia que se refleja
con una baja capacidad portante y tiene una alta deformabilidad que genera
asentamientos muy altos.
Con respecto al manual de Carreteras, Suelos, Geología, Geotecnia y
Pavimentos Sección: Suelos y Pavimentos ítem 4.3 Descripción de los Suelos se
resume que la plasticidad es una propiedad exclusiva de los suelos finos donde
el suelo se mantiene estable sin disgregarse hasta un punto límite de humedad.
Por ello es primordial determinar los límites de atterberg para conocer qué tan
sensible es el comportamiento del suelo frente al contenido de humedad.
Los límites de atteberg nos permiten valorar la cohesión del suelo las cuales son:
Límite Líquido (LL) que es donde el suelo cambia del estado semilíquido a
estado plástico y es moldeable, Límite plástico (LP) que es donde el suelo
cambia de un estado plástico a un estado semisólido y es cuando se produce la
El índice de plasticidad se determina como la diferencia del límite líquido y límite
plástico indicando valores de intervalo de humedades donde el suelo tiene una
consistencia plástica lo que facilita clasificar adecuadamente a un suelo. Cuando
se obtiene valores altos de índice de plasticidad (IP) se puede clasificar como un
suelo muy arcilloso; mientras que un valor bajo de índice de plasticidad (IP) le
corresponde un suelo poco arcilloso. De acuerdo al IP un suelo puede
clasificarse como sigue:
Índice de
plasticidad Plasticidad Características
IP>20 Alta Suelos muy arcillosos
7<IP≤20 Media Suelos arcillosos
IP<7 Baja Suelos poco arcillosos
IP=0 No plástico (NP) Suelos exentos de arcilla
Tabla 2.1 Clasificación de suelo según su índice de plasticidad Fuente:Elaboración propia en función de la referencia [3]
Se debe tener presente que la cantidad de arcilla en un suelo puede ser un
factor de riesgo para el paquete estructural del pavimento debido a que la arcilla
es muy sensible al agua y puede producir asentamientos excesivos deformando
la plataforma de la vía.
Clasificación de suelos AASHTO
(American Association of State Highway and
Transportation Officials)
AASHTO M-145
Clasificación de suelos SUCS
(Sistema Unificado de Clasificación de Suelos)
ASTM-D-2487
A-4 Arcilla de baja plasticidad (CL),
Limo de baja plasticidad (ML)
A-5 Limo de baja Plasticidad (ML), Limo de alta plasticidad
(MH), Arcilla de alta Plasticidad (CH)
A-6 Arcilla de baja Plasticidad (CL), Arcilla de alta
Plasticidad (CH)
2.4. MEJORAMIENTO DE SUELOS
Es de conocimiento que las arcillas y limos poseen un comportamiento deficiente
como suelo de fundación en las diversas construcciones de Ingeniería Civil, por
ello es importante sectorizar los depósitos de suelos inadecuados y plantear un
tratamiento adecuado y óptimo para garantizar la vida útil de la estructura
construida.
Para determinar los sectores que requieren mejoramiento se tiene que tener en
cuenta principalmente los resultados de ensayos de laboratorio, esfuerzos
generados por las cargas aplicadas, presencia de nivel freático, espesor del
material inadecuado, facilidad y eficiencia de construcción de la estructura.
Según la ubicación y sectorización del suelo inadecuado se puede aplicar
diversas alternativas de solución que mejor se adecue al proyecto como puede
ser la estabilización mecánica, la estabilización por combinación de suelos, la
estabilización por sustitución de suelos, la estabilización por incorporación de
agentes mejoradores y la estabilización con geosintéticos.
La alternativa de mejoramiento por sustitución de suelos se aplica con mayor
frecuencia principalmente en lugares donde existe disponibilidad de material de
préstamo, sin embargo se debe analizar con mayor criterio el espesor de
reemplazo ya que un valor muy conservador de espesor de mejoramiento podría
generar asentamientos debido a las cargas geoestáticas, mientras que un
espesor insuficiente no estaría cumpliendo la finalidad del mejoramiento del
suelo.
2.4.1. Criterios para definir mejoramiento de suelos
2.4.1.1. Compresibilidad del suelo
Este Criterio se aplica a suelos de granulometría fina como las arcillas y Limos,
donde presenta deformaciones aun con cargas relativamente pequeñas.
Terzaghi y Peck, demuestran que el índice de compresibilidad de un suelo
puede ser expresado en función al límite líquido, la expresión es la siguiente:
Cc = 0.009 (LL-10)
Dónde:
Cc Compresibilidad
0.00 – 0.19 Baja
0.20 – 0.39 Media
Mayor a 0.40
Alta
Tabla 2.3 Grado de Compresibilidad del Suelo Fuente: referencia [2]
2.4.1.2. Índice de consistencia
Este criterio permite determinar el estado del suelo de acuerdo al valor del índice
de consistencia. El índice podría ser tomado como una medición de la
consistencia del suelo, relacionado a la capacidad de absorber agua. Cuando el
valor es negativo indica un estado líquido, si el valor se encuentra entre cero y
uno el suelo varía desde un estado semilíquido, plástico muy blando, plástico
blando a plástico duro, mientras que valores mayores a uno indica un estado
sólido del suelo.
El índice de Consistencia se determina mediante la siguiente fórmula:
Ic= (LL-W)/IP
Dónde:
LL: Límite Líquido
W: Contenido de Humedad
Índice de Consistencia Estado de suelo
< 0.00 Liquido 0.00 – 0.25 Semi líquido
0.25 – 0.50 Plástico muy blando 0.50 – 0.75 Plástico blando 0.75 – 1.00 Plástico duro
> 1.00 Sólido
Tabla 2.4 Estado de suelo según Índice de Consistencia Fuente: referencia [2]
2.4.1.3. Suelos expansivos
Los suelos de fundación del pavimento a proyectar no deberán presentar
expansión alguna que pongan en riesgo la estructura del pavimento; por tanto, la
expansión libre deberá ser baja.
Para estimar el potencial de expansión de los suelos, se han empleado
procedimientos indirectos como los planteados por Holtz y Gibbs en las cuales
se valora el Potencial de Expansión teniendo en cuenta el índice de plasticidad,
en la tabla Nº 2.5 se presenta dicha clasificación:
Potencial
de Expansión
Índice de
Plasticidad (%)
Muy Alto >37
Alto 18 – 37
Medio 12 – 27
Bajo < 12
2.4.2. Asentamientos por consolidación de suelos
El desarrollo corresponde según la referencia [5] donde se menciona que
cuando un suelo cohesivo saturado es sometido a un incremento de carga, se
manifiesta un traspaso de la carga desde el agua hacia la estructura del suelo en
un periodo de tiempo. Al inicio según la teoría el incremento de carga exterior lo
toma íntegramente el agua ya que una parte es incompresible y por otro lado el
suelo tiene una baja permeabilidad. El incremento de carga tomado por el agua
genera excesos de presión neutra por encima de las presiones hidrostáticas.
Durante un tiempo “t”, parte del exceso de presión neutra es disipado,
transfiriéndose esa parte de la carga a toda la estructura del suelo, la cual resulta
en un incremento de presiones efectivas. El resultado del incremento de forma
gradual de las tensiones verticales efectivas produce los asentamientos en el
suelo de fundación.
Los suelos granulares como las arenas son muy permeables, el drenaje por el
incremento de presión de agua en los poros ocurre de manera rápida. El drenaje
es acompañado por la disminución del volumen de la masa del suelo dando
lugar al asentamiento por ello por el buen drenaje de estos suelos el
asentamiento y la consolidación son de manera simultánea pero no ocurre en los
suelos finos ya que presentan una baja conductibilidad hidráulica traduciéndose
en asentamientos durante un periodo de tiempo.
De manera general se puede clasificar en tres categorías el asentamiento de
suelos causados por cargas. El primero un asentamiento inmediato que es
generado por la deformación elástica de un suelo ya sea seco, húmedo o
saturado pero sin causar algún cambio del contenido de humedad, este cálculo
se basa en la teoría de la elasticidad. El segundo es un asentamiento primario
que se genera debido al cambio de volumen del suelo fino saturado cuando se
expulsa el agua que ocupa los espacios vacíos. El tercero es un asentamiento
secundario que se da en suelos finos saturados originándose un cambio o ajuste
plástico en el suelo.
Al tener el suelo fino una baja permeabilidad y siendo el agua incompresible
comparada con la estructura del suelo, en el tiempo t=0, el incremento de
esfuerzo total, ∆σ, será tomado por el agua (∆σ = ∆u) para toda profundidad. Ningún esfuerzo será tomado por la estructura del suelo (∆σ’=0).
Después de darse el incremento de esfuerzo total al estrato de suelo fino, el
agua empezará a ser expulsada por los espacios vacíos, de la estructura del
suelo, drenando en ambas direcciones hacia los estratos de suelos adyacentes.
Mediante este proceso, el exceso de presión de poros del agua a cualquier
profundidad sobre el estrato de suelo fino decrecerá gradualmente y el esfuerzo
efectivo (tomado por los sólidos del suelo) se incrementará. Entonces, en el
tiempo 0 < t < ∞, se tiene:
∆σ = ∆σ’ + ∆u (∆σ’ > 0 y ∆u < ∆σ)
Sin embargo, las magnitudes de ∆σ’ y ∆u a diversas profundidades cambiará,
dependiendo de la distancia mínima de la trayectoria de drenaje hacia cualquiera
de los estratos de suelos adyacentes.
Teóricamente, en el tiempo t = ∞, la presión de poros en exceso se disipará por
drenaje desde todos los puntos del estrato de suelo fino, quedando ∆u = 0. Por
lo tanto, el incremento de esfuerzo total ∆σ será tomado por la estructura del
suelo, por lo cual:
∆σ = ∆σ’
Mediante el proceso de drenaje gradual, bajo la aplicación de carga adicional y
la transferencia asociada de presión de poros en exceso al esfuerzo efectivo,
ocasiona el asentamiento dependiente del tiempo conocido como consolidación
en el estrato de suelo fino.
Los valores de factor tiempo y los grados promedios de la consolidación se
Donde:
2.4.3. Determinación del espesor de reemplazo por esfuerzos verticales
Como un análisis inicial para determinar la distribución de esfuerzos de un suelo
se puede aplicar el método de Boussinesq, el análisis se basa en la aplicación
de una carga en un semi-espacio elástico, lineal, homogéneo e isotrópico. El
modelo de Boussinesq nos permite calcular los esfuerzos generados a diferentes
Figura 2.2 concepto de Boussinesq
Fuente:Pavement Analysis And Design, Second Edition Yang H. Huang en función de Referencia [1]
Para el diseño de pavimento por lo general se asume la presión de contacto
igual a la presión de la llanta. Debido a que en los ejes de carga pesada
presentan presiones altas y efectos más destructivos del pavimento, utilizar la
presión de contacto es estar por el lado de la seguridad. (Huang, 1993)
De acuerdo con la normativa vigente, la carga estándar o eje equivalente se
determina como la solicitación de un eje sencillo de 8.2 ton y llantas con presión
de contacto de 5.6 kg/cm2.
Carga de Aplicación qo = 5.6 Kg/cm2
Radio a = 10.8 cm.
Z=espesor de la estructura del pavimento + espesor de mejoramiento
El espesor de mejoramiento se determinara iterando el modelo de Boussinesq a
diferentes profundidades hasta llegar a un valor de esfuerzo vertical de
0.1kg/cm2, donde se considera que no afecta significativamente a la estructura
2.5. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO METODOLOGIA AASHTO
93
La metodología se basa en modelos que han sido desarrollados principalmente
en función a las cargas aplicadas por los ejes de los vehículos y la capacidad de
soporte de la subrasante.
El diseño de los espesores de la estructura del pavimento que comprende la
capa de carpeta asfáltica, capa de Base y Subbase granular se realiza siguiendo
la Metodología recomendada por AASHTO-1993 a través de la siguiente
ecuación:
07
.
8
)
(
*
32
.
2
)
1
(
1094
4
.
0
5
.
1
2
.
4
20
.
0
)
1
(
*
36
.
9
*
)
(
10 19 . 5 10 10 1810
Log
MR
SN
PSI
Log
SN
Log
So
Zr
W
Log
Dónde:W18 : Número proyectado de carga equivalente de 18 kip (18000 lb.) de
aplicación de carga axial simples
Zr : Desviación estándar normal para el nivel de confiabilidad de 90%
(-1.282)
So : Error estándar combinado del tráfico proyectado y del comportamiento
proyectado (0.45)
PSI : Diferencia entre índice de Serviciabilidad inicial, po, y el índice de
Serviciabilidad terminal. (pt 4.2-2.0= 2.2)
MR : Módulo resiliente (psi)
SN : Número estructural indicativo del espesor total del pavimento requerido
En el cálculo del Número Estructural intervienen los coeficientes estructurales
para cada capa y los espesores asignados, para la conversión del número
SN = a1*D1 + a2*D2*m2 + a3*D3*m3
Dónde:
ai : Coeficiente de la capa “i”
Di : Espesor de la capa “i”
CAPITULO III: APLICACIÓN – VÍA DE EVITAMIENTO DE TOCACHE
En el presente capítulo se contempla desarrollar lo siguiente:
Identificar los tipos de suelos existentes en el trazo de la vía.
Identificar sectores críticos por presencia de nivel freático.
Plantear soluciones geotécnicas para las zonas de mejoramiento y sectores
críticos.
3.1. TRABAJO DE CAMPO
Se ejecutaron investigaciones directas mediante excavaciones de calicatas de
1.50m de profundidad a lo largo del eje de la vía, la distribución de las calicatas
fue de forma alternada a los lados y la separación entre calicatas fue menor a los
1000 metros según lo indicado en los términos de referencia. Se encontró a lo
largo del trazo sectores saturados con acumulación de agua (aguajales,
saturación de suelos), la cual se procedió a sectorizar para su posterior
tratamiento.
Las exploraciones se realizaron en dos etapas, en una primera etapa las
calicatas de codificación C-1, C-2, C-3, C-4, C-5, C-6, C-7 y en una segunda
etapa una vez obtenido los resultados de ensayos de laboratorio y para
confirmar la continuidad del suelo se procedió a realizar las calicatas intermedias
C-2A, C-3A, C-4A sumando en total 10 calicatas.
En cada calicata se realizó un registro de excavación, donde se describe
visualmente las características principales del suelo que posteriormente se
complementaron con los resultados de ensayos de laboratorio, también se
registró la presencia de nivel freático en donde se anotó la profundidad.
Se tomó muestra de los estratos de todas las calicatas para realizar los ensayos
de clasificación de Suelos y muestras cada kilómetro en cantidad suficiente para
Figura 3.2 Vista Fotográfica de los Estratos de las Calicatas Efectuado a lo largo del Eje Proyectado
3.2. ENSAYOS DE LABORATORIO
Se realizaron ensayos de Laboratorio a las muestras extraídas de las calicatas
para conocer las propiedades físicas y mecánicas de los suelos encontrados
para ello se realizaron los siguientes ensayos:
Contenido de humedad MTC E 108 (ASTM D-2216)
Análisis granulométrico por tamizado MTC E 107 (ASTM D-422)
Límite líquido MTC E 110 (ASTM D-4318)
Límite plástico MTC E 111 (ASTM D-4318)
Próctor Modificado MTC E 115 (ASTM D-1557)
CBR MTC E 132 (ASTM D-1883)
Clasificación SUCS ASTM D-2487
Clasificación AASHTO ASTM D-3282
En las tablas 3.1 y 3.2 se resumen las propiedades físicas y mecánicas de los
suelos encontrados.
Calicata
Prof.
(m)
Prog.
(Km)
Muestra
Límite de
Consistencia Humedad W %
Clasificación de
Suelo
LL LP IP SUCS AASTHO
C-1 0.10 –0.30 0+160 M-01 35.9 25.4 10.5 23.6 ML A-4(5) C-1 0.30 –1.60 0+160 M-02 38 24.5 13.6 32.3 CL A-6(9) C-2 0.15 –1.75 1+000 M-01 46.4 29.5 17 30.6 ML A-7-6(15) C-2A 0.10-1.75 1+400 M-01 42.9 29.4 13.6 30.5 ML A-7-6(11) C-3 0.10- 0.60 1+920 M-01 41.1 24.3 16.9 29.8 CL A-7-6(15) C-3 0.60- 1.60 1+920 M-02 39.7 20.6 19.1 41.3 CL A-6(17) C-3A 0.10- 1.60 2+520 M-01 36.6 19.8 16.8 34.7 CL A-6(12) C-4 0.00- 0.40 2+880 M-01 35.4 18.6 16.9 21.1 CL A-6(10) C-4 0.40- 1.60 2+880 M-02 40.0 24.9 15.2 28.5 CL A-6(11) C-4A 0.10- 0.90 3+340 M-01 34.6 19.3 15.4 15.7 CL A-6(6) C-4A 0.90- 1.60 3+340 M-02 38.5 23.7 14.8 27.7 CL A-6(10)
Calicata
Prof.
(m)
Prog.
(Km)
Muestra
Límite de
Consistencia Humedad W %
Clasificación de
Suelo
LL LP IP SUCS AASTHO
C-6 0.70- 1.60 4+720 M-02 42 23.9 18.1 29.4 CL A-7-6(8) C-7 0.10- 1.80 4+980 M-01 40.4 25.4 15 28.5 CL A-6(5)
Tabla 3.1 Resumen de Ensayos Estándar del Suelo de Fundación Fuente: Elaboración propia en función a la referencia [2]
Nº
C
al
icata
U
b
icaci
ó
n
Pr
o
f.
(m)
CLASIFICACIÓN
L.L
(%)
PROCTOR
MODIFICADO CBR (0.1”)
SUCS AASHTO
MDS
(gr/cm3
)
OCH
(%)
100%
MDS
95%
MDS
1 C-1 Km 0+160 0.30-1.80 ML A-4(5) 38 1.611 19.3 5.6 4.3 2 C-2 Km 1+000 0.15-1.75 ML A-7-6(15) 41.9 1.578 21.6 7.8 6.0 3 C-3 Km 1+920 0.60-1.60 CL A-6(17) 39.7 1.569 23.5 4.8 3.6 4 C-4 Km 2+880 0.40-1.60 CL A-6(11) 40.0 1.578 20.7 7.2 5.5 5 C-5 Km 3+880 0.30-1.60 CL A-7-6(7) 43.2 1.622 18 10.4 7.9 6 C-6 Km 4+720 0.70-1.60 CL A-7-6(8) 42 1.608 19.3 8.4 6.6
Tabla 3.2 Resumen de los Ensayos de Proctor y CBR del Suelo de Fundación Fuente: Elaboración propia en función a la referencia [2]
3.3. DESCRIPCIÓN DE LOS SUELOS DE SUBRASANTE
Los suelos a lo largo de la vía proyectada están compuestos por suelos de
granulometría fina, con valores de humedades que están por encima de la
humedad óptima.
Los suelos que predominan en la subrasante son arcillas de plasticidad media,
con una participación aproximada del 80%, identificados en el sistema de
clasificación SUCS como un CL y en el sistema de clasificación AASHTO como
un A-6, A-7-6, la capacidad de soporte CBR al 95% de la Máxima Densidad
Seca se encuentra entre los valores de 3.6% a 6.6%, el contenido de humedad
También los limos tienen una participación aproximada del 20% en la subrasante
de la vía, identificados en el sistema de clasificación SUCS como un ML y en el
sistema de clasificación AASHTO como un A-4, A-7-6, su capacidad de soporte
CBR al 95% de la Máxima Densidad Seca se encuentra en un valor de 6.0%, el
contenido de humedad varía entre 30.5% y 30.6%.
En la figura 3.4 se muestra el resumen de los valores del perfil estratigráfico, en
la tabla 3.3 los resultados de compresibilidad de suelos es de condición media,
en la tabla 3.4 los resultados de índice de consistencia varia el estado del suelo
de Plástico Duro, Plástico Blando, Plástico muy blando a Liquido, en la tabla 3.5
presenta un potencial de expansión de grado medio.
Figura 3.3 Porcentaje del Tipo de Suelo Fuente: referencia [2]
Calicata Profundidad (m)
Progresiva
(Km) SUCS Cc
Índice
Compresibilidad Tratamiento
C-1 0.10 – 0.30 0+160 ML 0.23 Media Mejoramiento C-1 0.30 – 1.80 0+160 CL 0.25 Media Mejoramiento C-2 0.15 – 1.75 1+000 ML 0.33 Media Mejoramiento C-3 0.10- 0.60 1+920 CL 0.28 Media Mejoramiento C-3 0.60- 1.60 1+920 CL 0.27 Media Mejoramiento C-4 0.00- 0.40 2+880 CL 0.23 Media Mejoramiento C-4 0.40- 1.60 2+880 CL 0.27 Media Mejoramiento C-5 0.30- 1.60 3+880 CL 0.30 Media Mejoramiento C-6 0.15- 0.70 4+720 ML 0.23 Media Mejoramiento C-6 0.70- 1.60 4+720 CL 0.29 Media Mejoramiento C-7 0.10- 1.80 4+980 CL 0.27 Media Mejoramiento
Tabla 3.3 Compresibilidad de Suelos Fuente: referencia [2]
Calicata Profundidad (m)
Progresiva
(Km) IC Estado de Suelo Tratamiento
C-1 0.30 – 1.80 0+160 0.42 Plástico muy
blando Mejoramiento C-2 0.15 – 1.75 1+000 0.93 Plástico Duro Mejoramiento C-3 0.10- 0.60 1+920 0.67 Plástico blando Mejoramiento C-3 0.60- 1.60 1+920 -0.08 Liquido Mejoramiento C-4 0.00- 0.40 2+880 0.85 Plástico duro Mejoramiento C-4 0.40- 1.60 2+880 0.76 Plástico duro Mejoramiento C-5 0.10- 0.30 3+880 0.52 Plástico blando Mejoramiento C-5 0.30- 1.60 3+880 0.96 Plástico duro Mejoramiento C-6 0.70- 1.60 4+720 0.70 Plástico blando Mejoramiento C-7 0.10- 1.80 4+980 0.79 Plástico duro Mejoramiento
Calicata Profundidad (m)
Progresiva
(Km) IP
Clasificación de
Suelo Potencial de
Expansión
SUCS AASTHO
C-1 0.30 – 1.80 0+160 13.6 CL A-6(9) Medio C-2 0.15 – 1.75 1+000 17 ML A-7-6(15) Medio C-3 0.10- 0.60 1+920 16.9 CL A-7-6(15) Medio C-3 0.60- 1.60 1+920 19.1 CL A-6(17) Medio C-4 0.00- 0.40 2+880 16.9 CL A-6(10) Medio C-4 0.40- 1.60 2+880 15.2 CL A-6(11) Medio C-5 0.10- 0.30 3+880 14.7 CL A-6(6) Medio C-5 0.30- 1.60 3+880 18.4 CL A-7-6(7) Medio C-6 0.70- 1.60 4+720 18.1 CL A-7-6(8) Medio C-7 0.10- 1.80 4+980 15 CL A-6(5) Medio
Tabla 3.5 Criterio de Potencial de Expansión (%) Fuente: referencia [2]
3.4. IDENTIFICACIÓN DE SECTORES CRÍTICOS
El trazo de la carretera cruza zonas críticas como aguajales y suelos saturados,
por ello se ha sectorizado teniendo en cuenta el trazado de la vía y la presencia
de nivel freático, en la tabla 3.6 se muestra los sectores críticos.
PROGRESIVAS (m) LONGITUD OBSERVACIÓN
DESDE HASTA (m)
1+838 2+080 242.0 Aguajal, suelo saturado 4+240 4+300 60.0 Aguajal, suelo saturado 4+620 4+700 80.0 Aguajal, suelo saturado
Figura 3.5 Vista de Aguajales en el Trayecto de la Vía a Proyectar Fuente: referencia [2]
3.5. MEJORAMIENTO DE SUELOS
De acuerdo a las exploraciones realizadas y los resultados de ensayos de
laboratorio se observa que la subrasante presenta suelos blandos que requieren
mejoramiento, las cuales se han determinado siguiendo los siguientes criterios:
- Presenta una baja resistencia del suelo cuyos valores de CBR varía entre
3.6% a 7.9%
- Presenta suelos con Potencial de expansión de grado medio
- Presenta Compresibilidad de suelos de grado medio
Según lo analizado se plantea un mejoramiento por reemplazo de suelo debido a
la disponibilidad de material de cantera y su cercanía al lugar del proyecto.
Se determina emplear la cantera del río Tocache cuyo material está compuesto
por grava arenosa mal graduada y cuyas características del agregado cumple las
especificaciones técnicas requeridas en calidad y volumen según el estudio de
canteras.
3.6. ANÁLISIS DE LOS ESFUERZOS VERTICALES POR BOUSSINESQ
Se realizó el cálculo siguiendo el modelo planteado por Boussinesq, en la
iteración a una profundidad de 109.2cm se obtiene un esfuerzo vertical de
0.08kg/cm2 que es menor a 0.1kg/cm2, según el diseño de pavimento el espesor
de la estructura del pavimento es de 59.7cm, de acuerdo a los resultados
obtenidos el espesor de mejoramiento es de 49.5cm<>50cm
Carga de aplicación q=
Radio a=
Profundidad z= 109.2 cm <> 43 in.
Esfuerzo σz= 0.1 Kg/cm2 <> 1.42 psi 59.7 cm <> 23.5 in.
49.5 cm <>19.5 in.
σz= σz(%)= 1.45%
0.081 Kg/cm2 < 0.1 Kg/cm2 ……. Cumple!
Esfuerzo a la profundidad z es menor o igual a 0.10 Kg/cm2
RESULTADOS
Porcentaje de esfuerzo respecto a carga de aplicación
ANALISIS E INTERPRETACION
0.081 Kg/cm2 Esfuerzo a z= 109.2 <> 43 pulg
Espesor mejorado = Modelamiento de Boussinesq
5.6 Kg/cm2 <> 80 psi 10.8 cm <> 4.23 in.
Z=Estructura Pavimento + espesor mejorado
Estructura del pavimento =
Para un análisis detallado se procedió a iterar cada capa de la estructura del
pavimento y subrasante para conocer los esfuerzos producidos por la acción de
las cargas de los vehículos y como disminuye el esfuerzo a medida que se
z(cm) z(in.) σz (kg/cm2) σz (psi) kPa
8.89 3.5 4.16 59.17 408.0 34.3 13.5 0.74 10.53 72.6 59.7 23.5 0.264 3.75 25.9
76.2 30 0.165 2.35 16.2
88.9 35 0.122 1.74 12.0
109.2 43 0.081 1.15 7.9
119.4 47 0.068 0.97 6.7
127.0 50 0.06 0.85 5.9
152.4 60 0.042 0.60 4.1
203.2 80 0.024 0.34 2.4
Tabla 3.7 Análisis de Esfuerzos Verticales - Boussinesq Fuente: Elaboración propia
3.7. ANÁLISIS DE LOS ESFUERZOS VERTICALES MEDIANTE USO DE
SOFTWARE
Para calcular los esfuerzos generados por la acción de las cargas de los
vehículos se utilizó el programa de computo KENPAVE, este software fue
diseñado por el Dr. Yang Huang (docente de la Universidad de Kentucky – USA)
en la cual se basa en la teoría elástica multicapa.
Para ejecutar el programa se considera lo siguiente:
- Módulo de elasticidad y poisson para cada capa
- Carga de 18000 libras (8.2 ton) para un eje simple
- Área de contacto circular (CR)
- Presión de Contacto (CP)
- Configuración de eje simple
En la tabla 3.8 se muestra el módulo elástico y poisson para las cinco capas que
son la carpeta asfáltica, base, subbase, mejoramiento y subrasante tomados de
bibliografía para procedimiento de cálculo.
En la figura 3.6 se muestra el menú general donde se define el comportamiento
lineal asignando el valor de [MATL]=1, no se realiza el análisis de daño
[NDAMA]=0, la variable [NYP]=1 define un período en un año, [NGL]=1 define un
grupo de carga, [DEL]=0.001 indica una precisión de 0.1% de tolerancia para la
esfuerzos verticales en once diferentes profundidades, [ICL]=80 indica el
número máximo de ciclos de integración numérica o iteraciones, [NSTD]=9 valor
por defecto que indica el número de tensiones, esfuerzos y desplazamientos,
[NBOND]=1 indica todas las interfaces de capa están enlazados, [NLBT]=1 valor
por defecto que indica el número de capas con análisis de daño , [NTC]=1 valor
por defecto que indica el número de capas con análisis de daño que se basa en
la tensión de compresión vertical, [NUNIT]=0 indica el sistema de unidades
inglés.
En la figura 3.7 se muestra las profundidades a visualizar los esfuerzos
verticales, en la figura 3.8 se muestra el menú Layer Thickness para asignar
valores de módulo de Poisson y espesores de cada capa, en la figura 3.9 se
muestra el menú Layer Moduli para asignar valores de módulo de elasticidad, en
la figura 3.10 se muestra el menú load information para asignar cargas, en la
figura 3.11 se muestra el modelamiento del paquete estructural - mejoramiento
de suelos y en la figura 3.12 se muestra los reportes de esfuerzos verticales del
programa de computo.
En la Tabla 3.9 se muestra el análisis de esfuerzos verticales de mejoramiento –
paquete Estructural.
CAPA ESPESOR
(pulg)
Módulo Elástico
(psi) Poisson Carpeta Asfáltica 3.5 370000 0.2
Base Granular 10 30000 0.3
Sub Base Granular 10 15000 0.4
Mejoramiento de Subrasante
(Reemplazo de Suelos) 19.5 10000 0.4
Subrasante - 6000 0.45
Figura 3.6 Menú General del Software KENPAVE Fuente: KENPAVE
Figura 3.7 Menú Zcoord para definir las profundidades a visualizar los esfuerzos - Software KENPAVE
Figura 3.8 Menú Layer Thickness para ingresar los valores de poisson a cada capa - Software KENPAVE
Fuente: KENPAVE
Figura 3.9 Menú Layer Moduli para ingresar los módulos de elasticidad de cada capa - Software KENPAVE
Figura 3.10 Menú Load Information (ingreso de Cargas) Software KENPAVE Fuente: KENPAVE
Figura 3.12 Reporte de Esfuerzos verticales de Paquete Estructural y Mejoramiento - Sofware KENPAVE
Fuente: KENPAVE
z(cm) z(in.) σz (kg/cm2) σz (psi) kPa
8.9 3.5 2.016 28.67 197.7
34.3 13.5 0.363 5.16 35.6
59.7 23.5 0.136 1.93 13.3
76.2 30 0.087 1.24 8.5
88.9 35 0.064 0.92 6.3
109.2 43 0.043 0.62 4.3
119.4 47 0.037 0.53 3.7
127.0 50 0.034 0.48 3.3
152.4 60 0.025 0.36 2.5
203.2 80 0.016 0.22 1.5
Según el análisis con el programa de cómputo KENPAVE, para una profundidad
de 109.2cm se calculó la carga adicional por tránsito obteniéndose un valor de
4.3 kPa que se ubica en la interfase suelo mejorado y subrasante.
3.8. ASENTAMIENTOS ESPERADOS DEL SUELO DE FUNDACIÓN
Según la metodología de Boussinesq los esfuerzos que se generan por las
cargas vehiculares se van disipando a medida que aumenta la profundidad, sin
embargo, por las características de los suelos finos que presentan en el presente
trabajo las cargas geoestáticas conformados por la estructura del pavimento y el
estrato de mejoramiento es posible que generen asentamientos por
consolidación causando una deformación continua en el pavimento para ello se
determina realizar un análisis de asentamiento.
Propiedades físicas de la Estructura del Pavimento:
Para fines de cálculo de acuerdo a las características del tipo de suelo
investigado se ha estimado valores de las propiedades de la estructura del
pavimento y el suelo de fundación de bibliografía las cuales se muestran en
el siguiente cuadro:
Descripción
Máxima Densidad Seca
(gr/cm3)
Óptimo Contenido de
Humedad OCH (%)
Módulo Elástico (psi)
Peso Unitario (kN/m3)
Carpeta Asfáltica - - 370000 24.05 Base Granular 2.318 6.6 30000 22.73 Sub Base Granular 2.261 6.7 15000 22.17 Mejoramiento de
Subrasante (Reemplazo de Suelos)
2.211 6.8 10000 21.68
Suelo de Fundación 1.709 14.7 6000 16.76 Tabla 3.10 Propiedades físicas de la Estructura del Pavimento
Fuente: Elaboración Propia en función a los parámetros tomados de la PP74 de la referencia [5]
Cálculo de la carga en las capas de la estructura del pavimento y la carga de
aplicación en el estrato compresible:
cual se establece realizar un análisis de asentamiento por consolidación a un
grado de consolidación de U=99% considerando para fines de cálculo un
estrato de espesor igual a un metro analizado en el punto medio.
En la tabla 3.11 se muestra los cálculos estimados del incremento de carga
efectiva en el punto medio del estrato compresible.
Descripción Espesor (m) Peso Unitario (kN/m3)
Carga parcial por estrato (kPa)
Carpeta Asfáltica Módulo Elástico=370,000psi
Densidad= 2.452 gr/cm3
0.089 PU=24.05 kN/m3 2.14 kPa
Base Granular Módulo Elástico=30,000psi
MDS= 2. 318 gr/cm3 OCH=6.6
0.254 PU=22.73 kN/m3 5.77 kPa
Sub Base Granular Módulo Elástico=15,000psi
MDS= 2. 261 gr/cm3 OCH=6.7
0.254 PU=22.17 kN/m3 5.63kPa
Mejoramiento de Subrasante (Reemplazo de Suelos) Módulo Elástico=10,000psi
MDS= 2. 211 gr/cm3 OCH=6.8
Clasificación= AASHTO (A-1-a), SUCS (GP-GM)
0.5 PU=21.68 kN/m3
Contribución neta relativa a la diferencia de cargas respecto
al espesor de suelo reemplazado: ∆=10.84-8.38 ∆= 2.46 Kpa Suelo de Fundación
Módulo Elástico=6,000psi Clasificación SUCS=CL Clasificación AASHTO=A-6
MDS=1.709 gr/cm3 MDS=16.76 kN/m3
OCH=14.7
1.0m
Aplicado A=0.5m
Carga parcial en A (kPa)= 8.38 Carga Neta en A (KPa)= 24.38 Carga adicional por Transito(kPa)= 4.3
Total incremento en A (kPa)= 28.68
Para realizar el cálculo de asentamiento por consolidación se requiere el
coeficiente de consolidación (Cv) y el coeficiente de compresibilidad (mv), por
ello se recurre a las correlaciones existentes teniendo en cuenta las propiedades
físicas del suelo de fundación las cuales se indican en la figura 3.13 y la tabla
3.12
Figura 3.13 Coeficiente de Consolidación
Fuente: Correlations of soils Properties. Carter M., Bentley S. 1991 en función de la referencia [5]
Según la Figura para un valor de Límite Líquido LL=40 le corresponde un
Tabla 3.12 Valores del Coeficiente Compresibilidad según tipo de Arcilla
Fuente: Correlations of soils Properties. Carter M., Bentley S. 1991 en función de la referencia [5]
Según la tabla 3.12 para una arcilla de mediana compresibilidad el coeficiente de
compresibilidad varia como mínimo mv=0.0001 m2/kN y valor máximo de
mv=0.0003m2/Kn
Con los parámetros obtenidos de correlación se procede a calcular el
asentamiento por consolidación considerando un estrato compresible de arcilla
de 1.00 metro en el punto medio la cual soportara las cargas de la estructura del
pavimento conformado por el material de mejoramiento, subbase, base y carpeta
asfáltica.
Espesor de Mejoramiento (m)
Espesor de Estrato Arcilla Compresible
(m)
∆H(mm) Mínimo
∆H(mm) Máximo
Tiempo (día)
0.5 1.00 2.87 8.6 261 días
3.9. TRATAMIENTOS DE LOS SECTORES CRÍTICOS
Se han identificado sectores críticos donde presentan saturación de suelos por
presencia de nivel freático y zonas de aguajales, para ello se propone emplear
una estructura que comprende la inclusión de geomalla, pedraplén y relleno
controlado (terraplén) para soportar las cargas de la estructura del pavimento y
los esfuerzos generados por cargas vehiculares dado que las condiciones del
lugar permiten plantear esta solución por la disponibilidad de material de la
cantera del Río Tocache.
El procedimiento en general consiste en sobreexcavar hasta dónde se encuentre
un material de mejores condiciones, parar la excavación si el material
inadecuado continúa, luego se recomienda la instalación de un material
compuesto (geomalla y geotextil no tejido) con un traslape de 60 cm en la
dirección transversal y longitudinal. La función del material compuesto será de
separar el material inadecuado y el pedraplén, para impedir que los finos y la
materia orgánica de los aguajales/suelos saturados no migren por capilaridad y
contaminen el material granular del relleno causando daño a la estructura del
mejoramiento.
CAPITULO IV: ESTUDIO DE CANTERAS Y FUENTE DE AGUA DEL RIO
TOCACHE
El estudio de fuentes de materiales y fuentes de agua tiene la finalidad de poder
determinar la composición física y calidad de los agregados para ser utilizadas
en la construcción de La Vía de Evitamiento de la Ciudad de Tocache.
Se ha ubicado 01 cantera en la cual se analizó las características físicas y
mecánicas, a fin de establecer su idoneidad para ser empleadas para los
diversos usos requeridos en obra teniendo en cuenta principalmente su
ubicación, accesibilidad, potencia y rendimiento.
4.1. DESCRIPCIÓN DE LA CANTERA
Para el presente estudio se ha explorado, delimitado y ensayado la Cantera Río
Tocache.
N° Lugar Ubicación Área(m2) Potencia
bruta (m3) Usos
Periodo de
explotación Propietario Disponibilidad
1 Cantera Rio
Tocache
Rio Tocache se ubica en el Km 2+090(eje de la vía proyectada) lado derecho
101,015.37 144,794.80
Cemento de concreto portland, MAC, relleno, Base y
Subbase
Mayo a Noviembre
(época de estiaje)
Municipalidad Provincial de
Tocache
Gestionar OTV en ALA para
emisión de Resolución de
Alcaldía
Tabla 4.1 Descripción cantera Río Tocache Fuente: referencia [2]
Se encuentra ubicado en la rivera de la margen derecha del cauce del río
Tocache. Existe un acceso de trocha carrozable de 2400m del Km 2+090 (eje de
la vía proyectada) y un acceso de 88.0 m en playa hacia la cantera.
Esta extensión de material de origen fluvial de predominancia gravas y arena se
encuentra depositada en una terraza central y en la margen derecha que se
forma todos los años al disminuir el caudal del río Tocache.
A continuación, se indica las coordenadas de las exploraciones realizadas para
CALICATA UBICACIÓN
COORDENADAS UTM
PROF.
(m)
NAPA
FREATICA
(m)
ESTE NORTE
C-1 CANTERA RÍO
TOCACHE 330830.644 9097013.923 1.50 1.50 C-2 CANTERA RÍO
TOCACHE 330968.436 9097057.786 1.50 1.50 C-3 CANTERA RÍO
TOCACHE 331150.412 9097221.499 1.50 1.50 Tabla 4.2 Coordenadas de las excavaciones realizadas-Cantera Tocache
Fuente: referencia [2]
Figura 4.1 Ubicación de las excavaciones – Cantera Río Tocache Fuente: referencia [2]
Descripción de las características del material:
Grava mal graduada con arena, cantos sub redondeados, sueltos, húmedos,
color gris.
Usos y tratamientos:
El agregado extraído de esta cantera servirá para la preparación de concreto
de cemento portland requeridos en los diferentes componentes estructurales
y obras de arte de la vía de evitamiento, además de materiales para
conformar las distintas capas estructurales del pavimento (rellenos, sub
base granular, base granular, asfalto) previo zarandeo y chancado (primario
y secundario) hasta encontrar la gradación requerida.
Potencia y rendimiento:
La cantera Río Tocache tiene una potencia bruta de 144,794.80 m3 y
rendimiento del 97%.
CANTERA RIO TOCACHE
Tamaños C-1 C-2 C-3 PROMEDIO 2"-6" 20 20 20 20% 6"-8" 12 12 15 13% 8"-10" 8 5 8 7%
>10" 17 12 7 12% Tabla 4.3 Cálculo y Potencia de Cantera Río Tocache
Fuente: referencia [2]
Uso Cálculo de Rend. Rendimiento
Sub Base 100%-20%-13%-7%= 60.00%
Base * 100%-3% = 97.00%
MAC * 100%-3% = 97.00%
CCP * 100%-3% = 97.00%
Relleno 100% -13%-7%= 80.00%
CANTERA RIO TOCACHE
Tabla 4.4 Cálculo de Rendimientos de la Cantera Rio Tocache * Se considera 3% de desperdicio por chancado y traslado
Para optimizar el rendimiento de la cantera se considera la Trituración de
material para tamaños mayores a 10” en todos los usos propuestos ya que en
las calicatas realizadas en la cantera se muestran tamaños máximos en
promedio de 14”.
Cantera RIO TOCACHE
Ubicación
Se encuentra en la rivera de la margen derecha del cauce del río Tocache Km 2+090
Acceso
Existe un acceso de trocha carrozable de 2400m del Km 2+090 al eje de la vía proyectada y un acceso de 88.0m en playa hacia la cantera.
Propietario Municipalidad Provincial de Tocache
Área(m2) 101,015.37
Profundidad Explorada (m) 1.50m
Volumen Bruto (m3) 144,794.80 (calculado por Secciones)
Desbroce (m3) 0.0
Usos, Rendimiento y Tratamiento
USOS REND(%) TRATAMIENTO C.C.P. 97.0% Trituración Primaria y Secundaria M.A.C. 97.0% Trituración Primaria y Secundaria B.G. 97.0% Trituración Primaria y Secundaria S.B.G. 60% Zarandeo Trituración Primaria Rell. y
Mej. 80.0% Zarandeo Trituración Primaria Equipo de Exploración Se utilizara excavadora, cargador frontal y volquetes
Época de Explotación Mayo a Noviembre/época de Estiaje
Tabla 4.5 Resumen de Potencia y Rendimiento Fuente: referencia [2]
4.2. CALIDAD DE LA CANTERA
Se presenta cuadros resumen de los ensayos de laboratorio para cada uso, sin
embargo, al no cumplir algunos ensayos de acuerdo a las especificaciones se
procede a aplicar un tratamiento al material que en este caso es el proceso de
chancado para cumplir con las especificaciones tanto de Base Granular como de
Requerimientos de ensayos en estado natural cantera Rio Tocache
REQUERIMIENTO DE ENSAYOS PARA MATERIAL DE SUBBASE
ENSAYO NORMA REQUERIMIENTO
RÍO
TOCACHE
Abrasión Los Ángeles MTC-E-207-2000 50 % máx. 20.2% CBR
MTC-E-132-2000 40 % mín. 90.5% Referido al 100% de la Máxima
Densidad Seca, penetración de 0.1"
Límite Líquido MTC-E-110-2000 25 % máx. N.P. Índice de Plasticidad MTC-E-111-2000 6 % máx. N.P. Equivalente de Arena MTC-E-114-2000 25 % mín. 75.6% Sales Solubles MTC-E-219-2000 1 % máx. 0.06% Partículas Chatas y Alargadas D4791 20 % máx. 6.5%
Tabla 4.6 Requerimiento Material de Subbase Fuente: referencia [2]
REQUERIMIENTO DE ENSAYOS PARA MATERIAL DE BASE
REQUERIMIENTOS DE ENSAYOS PARA BASE GRANULAR - AGREGADO GRUESO
ENSAYO NORMA REQUERIMIENTO
RÍO
TOCACHE
Partículas con 1 cara fracturada (*) MTC-E-210-2000 80 % mín. 0 Partículas con 2 caras fracturadas (*) MTC-E-210-2000 40 % mín. 0 Abrasión Los Ángeles MTC-E-207-2000 40 % máx. 20.2% Partículas Chatas y Alargadas D4791 15 % máx. 6.5% Sales Solubles Totales MTC-E-219-2000 0.5 % máx. 0.063% Durabilidad al sulfato de magnesio MTC-E-209-2000 4.42% (*) El material en estado natural no cumple los requerimientos de las especificaciones técnicas generales para construcción EG 2013, se recomienda el proceso de chancado.
REQUERIMIENTOS DE ENSAYOS PARA BASE GRANULAR - AGREGADO FINO
ENSAYO NORMA REQUERIMIENTO
RÍO
TOCACHE
Índice Plástico MTC-E-111-2000 4 % máx. NP Equivalente de Arena MTC-E-114-2000 35 % mín. 75.6% Sales Solubles MTC-E-219-2000 0.5 % máx. 0.066% Durabilidad al sulfato de magnesio MTC-E-209-2000 7.25%
REQUERIMIENTO DE ENSAYOS PARA MATERIAL DE ASFALTO
REQUERIMIENTOS DE ENSAYOS PARA ASFALTO - AGREGADO GRUESO
ENSAYO NORMA REQUERIMIENTO
RIO
TOCACHE
Durabilidad al sulfato de magnesio MTC-E-209-2000 18 % máx. 4.42% Abrasión Los Ángeles MTC-E-207-2000 40 % máx. 20.2% Adherencia MTC-E-517-2000 95 mín. -95 Índice de Durabilidad (*) MTC-E-214-2000 35 % mín. - Partículas Chatas y Alargadas ASTM-4791 10 % máx. 6.5% Partículas con 1 cara fracturada (**) MTC-E-210-2000 80 % mín. 0% Partículas con 2 caras fracturadas(**) MTC-E-210-2000 50 % mín. 0% Sales Solubles Totales MTC-E-219-2000 0.5 % máx. 0.063% Absorción MTC-E-206-2000 1 % máx. 0.36%
REQUERIMIENTOS DE ENSAYOS PARA ASFALTO - AGREGADO FINO
ENSAYO NORMA REQUERIMIENTO
RIO
TOCACHE
Equivalente de Arena MTC-E-114 60 % mín. 75.66% Angularidad del agregado fino MTC E 222 30 40.96% Valor azul de metileno TP-57 (*) 8 % máx. 5% Índice de Plasticidad (malla N°40) MTC E 111 NP NP Durabilidad al sulfato de magnesio MTC-E-209-2000 7.25% Índice de Durabilidad MTC E 214 35 mín. 80.2% Índice de plasticidad (malla N°200) MTC E 111 4 % máx. NP Sales Solubles Totales MTC E 219 0.5 % máx. 0.066 Absorción (*) MTC E 205 0.5 % máx. 0.89%
(*) Según las especificaciones técnicas generales para construcción EG-2013 indica para la Absorción,
excepcionalmente se aceptarán porcentajes mayores solo si se asegura la durabilidad de a mezcla asfáltica,
El material en estado natural no cumple las especificaciones por lo cual se recomienda realizar el ensayo al
material chancado.
REQUERIMIENTO DE ENSAYOS PARA MATERIAL DE CONCRETO ESTRUCTURAL
REQUERIMIENTOS DE ENSAYOS PARA CONCRETO - AGREGADO GRUESO
ENSAYO NORMA REQUERIMIENTO
RIO
TOCACHE
Dureza
Desgaste en la máquina de los Ángeles MTC E 207 40 % máx. 20.2%
Durabilidad
Durabilidad al sulfato de magnesio MTC E 209 18 % máx. 4.42%
Limpieza
Terrones de arcilla y partículas deleznables MTC E 212 3 % máx. 0.1 Carbón y Lignito MTC E 211 0.5 % máx. 0.009
Geometría de las partículas
Partículas fracturadas mecánicamente (una
cara) MTC E 210 60 % mín. 0
Partículas chatas y alargadas (relación 5:1)
NTP
400.040 15 % máx. 6.5
Características Químicas
Contenido de sulfatos expresados como ion SO4
NTP
400.042 1 % máx. 0.029 Contenido de Cloruros expresados como
ion Cl
NTP
400.042 0.1 % máx. 0.0023
(*) No se realizó el ensayo de Terrones de arcilla y partículas deleznables, se recomienda realizar el ensayo en
la siguiente etapa de estudio definitivo al material natural y chancado.